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電流、電壓與電路

從最開頭講起:電到底是什麼、為什麼電壓在「推」而電流在「流」、一個小小的公式如何把它們串在一起,以及為什麼每個能用的電器都需要一條完整的迴路。

電到底是什麼

你周圍的一切都由原子構成,而每個原子裡都藏著一些極小的粒子,叫做電子,每個電子都帶著一點點我們稱為電荷的東西。大多數時候,這些電荷只是安安靜靜地待著,處於平衡狀態。當你給這些電子一個移動的理由時,電就出現了——而在金屬導線裡,電子的數量多到幾乎無法想像,它們鬆鬆地待著,隨時準備挪動。

有個畫面能幫你理解。想像一根長長的管子,從頭到尾塞滿了彈珠。你在這頭推進一顆彈珠,幾乎在同一瞬間,另一頭就彈出一顆——儘管沒有任何一顆彈珠跑完了全程。一根通著電流的導線就是這麼回事:無數電子各自只往前挪一點點,推一推旁邊的鄰居,而這個效果卻以閃電般的速度沿著導線飛奔。單個電子走得很慢;但那股推力傳得飛快。

電壓是壓力,電流是流量

想真正體會電壓和電流的區別,最好懂的辦法是想像管子裡的水。想像一個高高的水箱接著一根水管。水箱裡水位的高度決定了它把水從管口往外推得有多猛——那股猛勁就是壓力。而每一秒真正從你手邊嘩嘩沖過的水量,就是流量。這是兩回事:一個是「推」的力道,另一個是因為這股推力而有多少東西真的在動。

電幾乎能完美地對應上這套比喻。電壓就是壓力——兩點之間電「推力」的差,用伏特(V)來量。它是電池或牆上插座提供的東西,哪怕什麼都還沒接上,它也已經備好了去推電子。電流就是流量——每一秒真正從某一點流過的電子有多少,用安培(A)來量,簡稱「安」。電壓是,電流是

電阻與歐姆定律

回到水管。如果你把它捏出一個窄窄的折彎,同樣的壓力現在只能推過去少得多的水——這個折彎在跟水流較勁。在電路裡,這種「較勁」就叫電阻,用歐姆(Ω)來量。每種材料都有一點電阻;又細又不導電的路,電阻就很大。還有一個值得記住的細節:當電子必須擠過電阻時,它們會放出。這可不是什麼副作用——烤麵包機、電熱水壺,還有老式燈泡裡的燈絲,靠的正是這一招來幹活。

電壓、電流、電阻這三者,被電子學裡最實用的一條小規則拴在了一起,它叫歐姆定律。最簡潔的寫法是 V = I × R:一個元件兩端的電壓,等於流過它的電流乘以它的電阻。這裡 V 是電壓(伏特),I 是電流(安培),R 是電阻(歐姆)。反過來讀,同一條規則也告訴你電流的大小:推力(V)越大,電流就越大;而電阻(R)越大,就越是把電流卡住。(用字母 I 來表示電流是個歷史遺留的怪癖——你就記成「I 代表流動的強度 intensity」好了。)

Given:  V = 9 V   (a small battery)
        R = 3 ohms (a resistor)

Find the current I.
Rearrange V = I x R  ->  I = V / R

        I = 9 V / 3 ohms
        I = 3 A

So 9 volts across 3 ohms pushes 3 amps of current.
把真實數字代進去,定律就替你算好了。

一條完整的迴路

現在我們把這條迴路拼起來。每個能用的電路都有同樣的四個部分,連成一個環。有一個電源負責提供推力——電池或插座,提供電壓。有導線給電子一條通路。有一個負載——就是你真正想讓它運轉的東西,比如燈泡或馬達,它把流過的電流變成光、運動或熱。還有一條通回電源的迴路,把這個環閉合起來,讓電子能一圈一圈不停地循環。

  1. 電源:電池或插座建立起電壓——那股蓄勢待推的壓力。
  2. 導線送出:電子離開電源,沿著導電的通路前進。
  3. 負載:燈泡或馬達用掉流過的電流,把它變成光、運動或熱。
  4. 迴路:導線把電子帶回電源,閉合整個環,讓電流得以持續。

那麼開關是幹嘛的呢?沒什麼花俏的——它只是有意地把迴路斷開。把它關掉,你就在環上開了個缺口;電子無處可去,於是電流停止,燈也就滅了。把它打開,你又把這個環接上,迴路重新完整,電流嘩地湧過去。你家裡每一個電燈開關,都不過是一處你能隨意開合、有意為之的小小斷口。