前面已经讲了电源、电压和电流,它们的存在给了人类最充分的理由去不断发明各种各样的新型电器。象电视机、随身听、电动剃须刀这类东西自不必说,令人感到意外的是居然还有象“太阳能手电筒”这样的电器发明(还有一些发明跟电无关,但同样足够荒唐,比如带脚踏板的轮椅、小狗的毛衣,等等)。在这些不胜枚举的电器当中,最简单的可能要算是电灯泡了。
  
   电灯泡的发明用到了电子在导体中流动时的一个特点。前面已经说过,电子在导体中流动的时候并不那么顺畅,差不多是在原子的密林中磕磕碰碰。换句话说,导体实际上对它的流动具有阻碍作用。在电学中,影响电子们流动的这种特性叫电阻。
  
   电阻的作用是让电子们的运动不那么顺畅。它不是导体独有的,通常情况下所有的物体都有电阻。一些电阻较小的物质,比如菜刀,被称为导体;而另一些电阻很大很大的物质,比如切菜用的砧板,被称为绝缘体。在正常情况下,电阻最小的物质是银(遗憾的是,它又是最昂贵的物质之一。真令人费解,大自然为什么非得要这样安排),至于电阻最大的,这就不好说了,如果非得说的话,我想从宇宙一头到另一头之间的这段空间,它所具有的电阻最大,你不这么认为吗?
  
   从能量的角度来看,电子的流动是因为电源赋予了电子们能量。“能量”这种说法我们差不多每个人都听说过,但通常也只是停留在意会的层面上,因为谁也看不到它,更无法捉摸。但是能量却是无处不在的。你拿起这本书需要能量;当你看书的时候,同样需要能量维持眼球的转动。为了能在运动会上得到一个其实并不能用来喝水的金属杯子,运动员们通常要付出更多的能量。
  
   关于能量的一个很重要、同时也是很有意思的特点是,它可以从一个物体传递给另一个物体,也可以从一种形式转化成另一种截然不同的形式。烈日当空、艳阳高照的时候,被太阳晒到的地方就会发热,这说明太阳能转变成了地球表面的热能。在地球表面,不同的区域所接收到的太阳能是不一样的,在温差的作用下,风就吹起来了。当大风刮起来的时候,它具有令人恐怖的能量,会将大树吹折、汽车掀翻,这叫做风能。风越大,它具有的能量越多。当它吹过防风林的时候,由于一部分能量会传递给树木,这种能量有可能将树木折断,但更通常的情况是使树木象喝醉了酒一样摇摇摆摆,因为失去了能量,所以风会变小——而这正是林业部门的人所希望的。如果风吹在风力发电机上,还能发出电来。也就是说,风能转变成了电能。其实也不用举太多例子,只需要看看你自己就明白了:只有当你吃得饱饱的之后,才会觉得浑身是劲儿,力气大得一听说得了大奖,无论多重的奖品都能一口气背回家去。这就是能量转换的最好证明。总之,用物理学上的说法就是“能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变。”这叫做能量守恒定律,1847年由德国物理学家、生理学家赫尔姆霍茨(1821~1894)首先提出。
  
   太阳能也可以转变成化学物质贮存在我们所吃的植物里,比如大米和水果蔬菜。这样我们在吃了它们之后才能有力气蹦蹦跳跳、说说笑笑、打打闹闹,但同时也助长了我们的歪风邪气,让我们有劲儿跟人吵架、在公共场合吐着烟圈儿,或者在大街上最显眼的位置啐上一口浓痰。说到这里,让我们以严肃的眼光审视一下我们所生活的这个世界:据统计,全世界75%以上的人口只能勉强吃饱饭,有近5亿人口严重营养不良。非洲大约有3000多万饥民濒临饿死的悲惨境地。5亿人口的非洲竟有1亿多人吃不饱肚子。截止到2007年8月,据国际粮食政策研究所发布的数据显示,亚洲仍有六亿人生活在贫穷线上,每天仅靠少于一美元过日子,占亚洲四十亿人口的百分之十五。因此我不得不说,从能量供应的角度上看,我们并不文明——或者没有我们自己想象的那样文明。我们甚至还不如蚂蚁的王国那样自由和富庶。
  
   通过前面的介绍我们可以看出,能量是无处不在、变化多端的。当电源开始工作的时候,它把自己的能量源源不断地传给电子们,迫使它们带着能量——通常也是在能量的作用下——开始流动形成电流。
  
   象大树从风中获得能量而摇摆一样,由于电阻的存在,电子们会在电线中释放出它们的一部分能量,使得组成电线的原子,尤其是它们的核外电子比平时格外活跃——以我们人类的视角来看——电线发热了。通常情况下这不会是个太大的问题,充其量只是一部分电能白白浪费掉了,而电线上的热量也会很快散发到空气中。但在另外一些极端的情况下,由于电压太高、电流太大,产生的热量不能及时散发,就会烧红电线,导致火灾。从另一个立场上来看,这也就是灯泡能够发光的工作原理。
  
   一个灯泡、一段电线和一节电池,这几样东西装配在一起就能工作得很好,这称为电路①。不用说,要组成一个电路,有几样东西是必需的:电源、导线和依靠电工作的各种器件。如果不通过用电器直接用电线接通电源的两极,时间长了后果不堪设想,这叫做短路。想想你发明电源的目的是为什么?电子们象潮水一般地涌出来的时候当然是携带了能量的,这些能量要么传递给用电器,要么将电源烧坏、电线烧红——总之,当它们被逼着从电源里怒气冲冲地跑出来的时候,当然需要一个撒气儿的地方,除非赶快想办法将电路断开。
  
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    不同的电路有不同的用途,而为了不同的用途也需要发明不同的电路。为了向别人展示你新发明的电路,你可能得跑到他们面前把这个电路重新连接一遍。这么干是非常不方便的,要想坐在家里就能让别人明白你是怎么干的这活儿,最好是拿一张纸把它画出来,就象前面的图1.2和图1.3那样,画好之后把它拿出来一展示就行了。要是拿到印刷机上一印,嘿,无论再多的人也能同时欣赏。当然,你画得越逼真越好,这样别人才能看得清楚明白。

   今天,由于考虑到画实物图很费事,而且有些人在美术方面的能力也着实太糟糕,画什么不象什么,所以大家一致认为必须采用一些简单的符号来代表各种电路器件。一些比较简单的,比如电池、灯泡和电线,它们的实物图及其符号如图1.4所示。其中,电池的符号是两条线段,其中又细又长的那条代表正极,又粗又短的那条代表负极。要表示一根电线是最简单的,只需要画一根线条就可以了。
  
  图1.4!

​ 有了这些符号之后,再来画图1.2那个电路就很省事儿了。如图1.5所示。
  
  

图1.5

​ 电路复杂的时候,会经常遇到电线交叉的情况。如果它们并没有接通,就表示成1.6(a)那样;如果它们是连接在一起的,则表示成1.6(b)那样。

图1.6

这里有一个很好的例子说明了电线是如何交叉连接的,如图1.7。它表明了如何用一节电池让两只灯泡同时发光。右边是实物图,右边是它的电路图。

图1.7

​ 电力是我们能得到的最好、最清洁的能源。当你用电的时候,它不会冒着烟、滴着水,或者因为它泄漏而中毒,这些情况通常只有在烧煤或燃油的时候才会出现。不过,电能从来都不曾充足到我们可以随意浪费的地步,更何况我们还得为它付钱。就算你不心疼钱,也不关心人类的前途和国家的命运,你也不能保证电不会危害你。当你触了电,或者因为用电不当发生了火灾,你不能指望通知几千公里之外的发电厂停工,这个时候最明智的作法是就近切断电流。总之,能够随意控制电流的通断是很重要的,而要做到这一点,我们需要另外一样东西——我想你已经知道了,是的,这就是开关。
  
   开关这种东西人人都知道,而且种类繁多,家家都有。所有的开关都干一样的活儿,那就是将电路断开或者接通。咱们国家幅员辽阔,同一样东西,在每个地方可能叫法不一样。有一种东西,在东北叫“闭火”,但是出了山海关,再闭火、闭火地叫这种东西,大家就不知道是什么了。其实说白了,这就是开关。
  
   为了表示一只开关,我们通常使用如图1.8所示的符号。
  

图1.8

​ 而要用一只开关来控制两个灯泡的亮灭,它的电路图则应当是如图1.9所示的那样。

图1.9

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  ※第二章 用电来表示数
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