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电流、电压与电路

从最开头讲起:电到底是什么、为什么电压在「推」而电流在「流」、一个小小的公式如何把它们串在一起,以及为什么每个能用的电器都需要一条完整的回路。

电到底是什么

你周围的一切都由原子构成,而每个原子里都藏着一些极小的粒子,叫做电子,每个电子都带着一点点我们称为电荷的东西。大多数时候,这些电荷只是安安静静地待着,处于平衡状态。当你给这些电子一个移动的理由时,电就出现了——而在金属导线里,电子的数量多到几乎无法想象,它们松松地待着,随时准备挪动。

有个画面能帮你理解。想象一根长长的管子,从头到尾塞满了弹珠。你在这头推进一颗弹珠,几乎在同一瞬间,另一头就弹出一颗——尽管没有任何一颗弹珠跑完了全程。一根通着电流的导线就是这么回事:无数电子各自只往前挪一点点,推一推旁边的邻居,而这个效果却以闪电般的速度沿着导线飞奔。单个电子走得很慢;但那股推力传得飞快。

电压是压力,电流是流量

想真正体会电压和电流的区别,最好懂的办法是想象管子里的水。想象一个高高的水箱接着一根水管。水箱里水位的高度决定了它把水从管口往外推得有多猛——那股猛劲就是压力。而每一秒真正从你手边哗哗冲过的水量,就是流量。这是两回事:一个是「推」的力道,另一个是因为这股推力而有多少东西真的在动。

电几乎能完美地对应上这套比喻。电压就是压力——两点之间电「推力」的差,用伏特(V)来量。它是电池或墙上插座提供的东西,哪怕什么都还没接上,它也已经备好了去推电子。电流就是流量——每一秒真正从某一点流过的电子有多少,用安培(A)来量,简称「安」。电压是,电流是

电阻与欧姆定律

回到水管。如果你把它捏出一个窄窄的折弯,同样的压力现在只能推过去少得多的水——这个折弯在跟水流较劲。在电路里,这种「较劲」就叫电阻,用欧姆(Ω)来量。每种材料都有一点电阻;又细又不导电的路,电阻就很大。还有一个值得记住的细节:当电子必须挤过电阻时,它们会放出。这可不是什么副作用——烤面包机、电水壶,还有老式灯泡里的灯丝,靠的正是这一招来干活。

电压、电流、电阻这三者,被电子学里最实用的一条小规则拴在了一起,它叫欧姆定律。最简洁的写法是 V = I × R:一个元件两端的电压,等于流过它的电流乘以它的电阻。这里 V 是电压(伏特),I 是电流(安培),R 是电阻(欧姆)。反过来读,同一条规则也告诉你电流的大小:推力(V)越大,电流就越大;而电阻(R)越大,就越是把电流卡住。(用字母 I 来表示电流是个历史遗留的怪癖——你就记成「I 代表流动的强度 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.
把真实数字代进去,定律就替你算好了。

一条完整的回路

现在我们把这条回路拼起来。每个能用的电路都有同样的四个部分,连成一个环。有一个电源负责提供推力——电池或插座,提供电压。有导线给电子一条通路。有一个负载——就是你真正想让它运转的东西,比如灯泡或电动机,它把流过的电流变成光、运动或热。还有一条通回电源的回路,把这个环闭合起来,让电子能一圈一圈不停地循环。

  1. 电源:电池或插座建立起电压——那股蓄势待推的压力。
  2. 导线送出:电子离开电源,沿着导电的通路前进。
  3. 负载:灯泡或电动机用掉流过的电流,把它变成光、运动或热。
  4. 回路:导线把电子带回电源,闭合整个环,让电流得以持续。

那么开关是干嘛的呢?没什么花哨的——它只是有意地把回路断开。把它关掉,你就在环上开了个缺口;电子无处可去,于是电流停止,灯也就灭了。把它打开,你又把这个环接上,回路重新完整,电流哗地涌过去。你家里每一个电灯开关,都不过是一处你能随意开合、有意为之的小小断口。