在金属导体里,当电子们象马路上的汽车一样,朝着同一个方向持续不断地前进时,就形成了所谓的“电流”。电流的速度很快,快到什么程度?哎呀,我想大家都已经听说过:每秒钟30万公里,和光速一样。如果从地球到月亮之间有一根电线的话,电流从一头到达另一头也就是一眨眼的工夫。看起来电子的运动速度还是蛮快的,能够迅速地从电线的一头跳到电线的另一头,不管它有多长。
  
   不要犯傻,这可不是电子的移动速度。从这头到30万公里之外的另一头,电子的跳跃速度比孙悟空翻筋斗还快,这让人觉得很不可思议,更何况自由电子名义上很“自由”,但毕竟还受原子核的约束,而且它是在原子的丛林中前进,难免还要磕磕碰碰。
  
   从中学的物理课本上我们知道,电子的移动速度其实很慢,一般每秒钟移动的距离不到1毫米,比毛毛虫和蜗牛都慢。但是,当导体两端的电子同时开始移动时(就象正在行军的士兵们),我们觉得好象电子真的在一瞬间从一头到达了另一头。
  
   感觉到电流的速度是“一瞬间”,或者认为它快到不需要用“速度”来衡量,这只是我们人类的一种普遍的错觉,因为我们无法制造出一根长到让电流显得很慢的电线。如果真有一根象从地球到太阳之间的距离那么长的电线,那么当你在地球上接通电源,差不多要在8分钟之后,太阳那一端的灯泡才能亮起来。
  
   电流不是自发形成的。一根随随便便扔在墙角的电线,它里面是不会有电流的,要形成电流,据我们所知,最简单的方法就是找一节电池、一个小灯泡以及一根电线并把它们按下图所示的那样连接起来。
  
  图1.2

![m (2)](/Users/imac/Documents/compdf/m (2).jpg)

这是三种差不多人人都认识的东西,所以我就用不着在这里为大家讲解它们的用途了。按照图中所示,把小灯泡的一端用电线连到电池的负极,然后将它的另一端放在电池的正极上,小灯泡就会发光,除非你找的这三样东西都不是什么好东西。

   除了这个实验之外我们还知道,所有的电器只有在接通墙上的插座之后才能工作。这意味着——而且看上去的确很象——电池或者发电厂里始终会制造电子,而且会源源不断地把这个造出来的电子送出去。在灯泡或者其它用电的东西那里,电子被吃掉、被消耗,也许是消失了,总之变成了光、热、使轮子旋转的动力,等等。
  
   这是真的吗?
  
   科学家们不喜欢这个答案。他们的评论肯定既干脆又发人深省:“胡说八道。”电不是凭空来的,在神仙那里,说声“变”就能得到原本不存在的宝贝,但那种境界你作梦都别想拥有。按物理学家们的话说,“物质是不灭的,既不会凭空产生,也不会凭空消失”。这并不是说,你可以在不高兴的时候把公司的财务报表给烧了。尽管烧完之后物质总量没有变——只不过化成了等量的灰和气体,但是你再也无法从灰和气体上看到这个季度公司挣了多少钱,就为这个,你的老板决不会原谅你。
  
   最符合我们主观愿望的办法就是找一个大的瓶子,将大量的电子灌进去,然后用一根电线插到瓶子里,电线的另一头则通到千家万户。这有点儿象液化气站,在那里贮存了大量的液化气,当要做饭时,只需要一开阀门,液化气就来了。
  
   真是个好主意,可是到哪里去找这么多电子呢?要知道,这可不是个小数目,而且,电子们可不是萤火虫儿,能够随随便便说逮就逮。这事儿从来没有人能办到,永远也办不成,“直到虾学会吹口哨,或者没有镜子能看到自己的耳朵。”①
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[^注① 这句话是前苏联领导人赫鲁晓夫说的。有一件事可以让你很快记住他:在二十世纪六十年代的第十五届联合国大会上,为了表示对发言者的不满,他竟脱下皮鞋“咚咚”地敲打面前的桌子。]:

    电流有大有小,或者换种说法——有强有弱,取决于导体中有多少电子参与这种换窝行动。但是,如果没有我们通常所说的“发电”,它们也流动不起来。

   说到“发电”的原理,我们以后还会在其它章节里讲到。现在可以借助于图1.3来说明一下它的实质。这是我们很熟悉的装置,用一节电池让灯泡发光。当这个装置开始工作,灯泡开始发光时,电池的作用就象是内部安了一个电泵,就象水泵一样,它促使整个线路中的电子象水流一样不停地循环流动。我们用图中的小白点来代表电子。
  
  图1.3

电流、电压和电源
电流、电压和电源
    很清楚,电子不是凭空产生的,而“发电”也不是劳动人民在制造电子,说到底,是让导体中原有的电子循环流动。有几种方法可以让电子们运动起来形成电流。第一种方法用于大型发电厂,比如大江大河上的水电站(这样的水电站还是很多的,比如三峡水电站、葛洲坝水电站、丹江口水电站,等等),在那些地方,工程师们想办法借助于水流的力量来驱赶电子们,让它们循环往复地流动,这种方法参与的电子多,电流也很强大。相比之下,我们平时所用的电池就属于无能之辈了。

   在原子的层面上,我们知道,这段电线内部的原子是极大量的、数不清的。当“电泵”开始工作时,它的任务是从电线一边的原子那里夺走自由电子,并将它们送给电线另一边的原子们。这样,失去电子的原子很着急,而得到电子的原子也不会因为自己的电子多了而高兴,它们都急切地想要找回电子或者扔掉包袱而重新达到稳定状态。在这种情况下,用物理学家们的话说,“电压产生了。”
  
   电压是一种吸引力,是由于失去电子和希望重新得到电子而引起的。这是比较抽象的概念,通常只有远离家门的游子和慈爱的父母才有可能理解。当然,也可以把它想象成一种压力,当把一桶水拎到高处时,它就具备了流动的可能性。
  
   电压的存在是导致电流产生的原因。在上图中,由于整个电路是处处连通的(灯泡其实也只是一段能发光的导线),所以在“电泵”的作用下,电子们在整个电路中循环流动。一个原子被迫丢掉电子后,它马上又从别处得到电子,然后不断地重复这个过程,除非“电泵”停止工作。换句话说,除非电压不复存在。
  
   象大型发电厂里的“电泵”一样,能够产生电压的装置称为电源。如果要严格一些来说的话,电源的作用是产生持续的电压和电流。如果你的视力没有问题的话,我认为你应当注意到“持续”二字,这是很重要的,否则当你在月黑风高的夜晚赶路时,你的手电筒只亮了一下就没有电了,而恰巧离你不远的前面有个大坑,到那个时候你再意识到“持续”二字的重要性,恐怕就来不及了。
  
   另一种电源是电池。这是我们都很熟悉的东西,它和前面所讲的发电原理基本一样,但稍有不同。电池当然非常重要,它使得你可以在任何远离大型发电站的地方轻便地使用电能来提供照明、发动汽车引擎或者兴高采烈地接打手机或者听MP3音乐。同样,也正是因为有了它,一些摩托车才有机会放着震耳欲聋的音响,在城市里一路招摇,好不烦人。在中学的化学课里,电池的原理已经说得很清楚了。
  
   为了不让那些复杂的化学方程式把本书和你的大脑搞乱,这些东西和本书已经没有关系了。最主要的是,电池无论如何也不能制造电子,它只是把电子从电池的一端搬到另一端而已。
  
   根据我们从日常生活中得到的经验,电池有两个极:正极和负极。从第一次知道世界上有电池这样东西的时候,我们就被告知电从电池的正极出来,然后流回负极。有时候,我们也会接触到象“正电”或“负电”这样的概念和术语,但这并不是说电子有两种,就象人分为男人和女人一样,也存在着“男电子”和“女电子”。事实上不是这样的,造成这种误会完全是由于那些早期研究电学的先驱们没搞清楚。现在我们将错就错,不同的只是将这些术语赋予了另外的含义。通常,它们仅仅指电子流动的方向。
  
   当然,能够产生电压和电流的东西很多,但不一定持久,所以用来作为电源可能不会很理想。比如在严寒的北方冬季里,你的身体经常会带上电,当你碰到门把手时候,会产生火花,并伴随着噼啪声,甚至会有一些轻微的疼痛感。从微观上来说,这同样是因为有些原子失去了电子而另一些原子得到了电子,如果你给它们机会,这些原子当然会迫不及待地重新达到稳定状态,并给你一点点疼痛,作为你把它们分开这么久的报答。
  
   除了身上的静电之外,雷电也是电。当上下两块云层分别因为失去电子和得到电子而带上静电的时候,如果时机合适,放电过程就在隆隆的雷声中开始了。认识到天上的雷电也是电是最近几个世纪的事儿,要在过去,西方人认为它与上帝有关,认为它是上帝发怒的表现。在《上帝也疯狂》这部电影里,原始部落里的人们觉得这是上帝吃多了,肠胃不太舒服。而在国内,人们一直认为这件事儿是雷公干的。最近我刚刚看过一部电视连续剧《大染坊》,剧中有一首诗很有意思,名叫《闪电咏》,是这样写的:
  
  
   天空突然一闪练,
   莫非上帝想抽烟?
   若非上帝想抽烟,
   怎么又是一闪练!
  
  
   1752年,美国人富兰克林(Benjamin Franklin,1706-1790)在他46岁的时候,冒着生命危险做了一个风筝实验。当乌云四合,电闪雷鸣的时候,天上的雷电被引下来产生了火花,与我们在生活中看到的电火花毫无二致。这激发了他的兴致,喊他的儿子拿一只火鸡来电电。谁知道火鸡还没拿来,他倒先被当场电晕了。这个实验证明了雷电和我们平时接触到的电的确是一回事,同时也证明了如果一个人不走运的话,就算没有病,也极有可能活不过46岁。用他自己的话说,“我原想电死一只火鸡,谁知道却差点电死一个傻瓜。”
  
   相比之下,另一位俄国科学家利赫曼就没那么走运了。1753年7月,为了验证富兰克林的实验,他不幸被雷电击中,成为做雷电实验的第一个牺牲者。在这方面,雷电是不留情面的,它才不管你是谁,天王老子也不行,照样电你。传说清朝的嘉庆皇帝在承德避暑山庄休养时,有一日天气骤变,雷鸣电闪,寝宫遭到雷电袭击,嘉庆帝也当场成了历史上第一个被雷击而驾崩的皇帝(如果传说属实的话)。
  
   到现在为止,我们已经见识了很多种类型的电源。通常,衡量一个电源的重要指标是它的电压,也就是它产生电的能力。不同的电源,它所的供的电压也不相同。世界上第一个电池是由意大利人伏特于1800年发明的,后来物理学界就用他的名字作为衡量电压大小的单位,简称“伏”,或者用大写的字母“V”来表示。
  
   除了“伏”之外,其它的单位还有千伏(KV)、毫伏(mV)等等,它们的关系是:
  
   1 KV = 1000 V
   1 V = 1000 mV
  
   我们平时所使用的电池,它的电压是1.5V,这种电压可以让手电筒里的小电珠正常发光,但对人体构不成危害(据我的一个同学说他曾经有一次用手捏着电池的两极睡觉,早上醒来后手感觉很麻木。是不是真的,还有待考证,不巧的是这个同学再也找不到了)。如果电压超过了36V(这个电压称为安全电压,如果比它低,则不会危害到人),你会觉得手臂发麻,有电击感,不过你仍能在众人面前装作若无其事的样子;如果电压达到220V,也就是我们家里所使用的电压,你除了会突然发出一声怪叫,并跳起一支有史以来最难看的舞蹈之外,决不会还有心情去考虑自己的姿势在别人看来是否还算得上优雅。当然,这并不是最高的电压。从大型发电厂出来的输电线路上通常会有几万伏、几十万伏甚至更高的电压,这样高的电压是致命的。光是2006年一年,我就从电视上看到过至少两例这样的惨剧,一个是因为盗割高压电线引起的;另一个则是因为站在高架桥上往下小便时,水柱碰到了桥下的高压电线。不管在哪种情况下,人都会被吸在上面,很难挣脱。人的生命是最宝贵的,希望每一年、每一天都不会再有这样的事情发生。