几万年,你是一位位部落首领,在暴风雨期间从上天射来的闪光中得到了火种。从此把这神秘,危险却又有时能带来好运的雷霆奉若神明。

    几千年前,你是古希腊雅典城邦的一个富庶家庭的长者,喜欢摩擦琥珀感受那轻微而又神奇的电击感。

    几百年前,你是皇家魔术师的一员,擅长用机器产生一种看不见的能量让纸片在空中翩翩起舞。

      ……

    而到了现在,我们终于揭开了这与人类羁绊长达万年的能量的神秘面纱——电。

    从科学的角度,电的本质是构成原子的两种基本粒子:正电荷和负电荷,前者作为原子核的重要组成部分定居在原子核心,后者则分层排布在原子核之外。

      一般情况之下,原子或分子中的电子都会安安分分老老实实的呆在原子或者分子中,维持着自己日常轨道的运转,然而在某些特殊条件中,比如说剧烈的摩擦,某些化学反应时,某种物体的负电荷可能会逃出原本的原子而进入另一个原子或者在原子中来回逃逸,直到此时,电现象才会真正在现实中呈现出来,此时,那些汇集了逃出的电子的物质就会显出这些电子的电性:负电。至于那些自身周围的垫子被剥离的原子,则只剩下了不能被剥离的正电荷,只好显正电了。值得注意的是,当两个同样带有正电荷显正电的物体碰撞时,会相互排斥,当两个同样带有负电荷显负电的物体碰撞时,也会相互排斥。但当一个带有正电荷显正电的物体和一个带有负电荷显负电的物体接触,则会吸附在一起。利用这一条正电与负电之间的性质,我们可以制作验电器验证一个物体带电的属性。

      对电的认知开启了一场认知革命,人们终于认识到,那些徘徊在云端的轰鸣的闪电不是上帝愤怒的鞭子,而是云层之间摩擦所产生的高压电。那些在指尖跃动的火花,魔术师所表演的魔术也同样基于这一原理。但是,人类文明对于电的认知还远远不止于此。大家现在看看自己看这篇文章时所用的工具,便会领悟到这一点了。

      没错,我们经常说现在的时代是信息时代,因为现在社会的一切都已经被一种智能的信息设备——手机所联通了,但其实更准确的说,这个时代是电学的时代。无论是赖以生存的手机,电灯,甚至是某些汽车…几乎所有稍微有智能一点的,复杂一点的设备,都需要用电。当然,一切的一切都还得从电的一个性质讲起。

      在生活现象中可以得知,电有时候可以穿透某种物体,但却不能穿过另一种物体,比如你手握一个人通着电的铁丝你会立刻触电,那你在这块铁丝之后包裹上一层橡胶,就会发现有任何感觉了。根据现象,科学世界中把这种能够很通畅导电的物体称作为导体,而把导电很困难的物体称作为绝缘体,当然还有一种在特定情况之下能够导电可在另一些情况下不能导电的半导体,比较特殊,在此就不再细说。我们到底能够用这个性质干什么呢?这就需要引导我们对店的第二个认知爆发阶段:导线中的电了。

      是的,导线就是一种人利用电的设备,其主要结构是中心的一段导体和周围的绝缘体,利用它,再加上更多人类发明出来的用电器,我们可以远程操控各个用电器的使用,进而组成复杂的电路。最终,这成为了信息革命电学革命的基石。

    那么,让我们就先暂时不聚焦电路的具体组成,单纯聊一聊电路中的电流电阻电压之间的独特性质吧。

    首先,应当明确,电流电阻和电压是人为创造的对电路中的某些量的定义,分别描述电流在导线内的流动速度,电流受到的阻碍作用,以及电流的类似水压一样的压力作用,分别用符号I,R,U。而我们分别可以用电流表和电压表测量电流和电压。同时,电路中还有两个非常重要的人为规定因素,即线路的串联与并联,在串联电路中,所有用电器和导线首尾相连,串成一个环。而在并联电路中,2个同类或不同类的元件、器件等首首相接,线路也就分为了干路和支路两种。它们同样会对实验结果产生重要影响。

      最终,经过实验我们得出了以下的这些性质:

    第一,在串联电路中各用电器的电流相等,但在并联电路中干路的电流等于各支路电流的总和。

    第二,在串联电路中各用电器两侧的电压之和等于电源电压,但在并联电路中各用电器和电源的电压都相同。

    第三,也是最最重要的一个,即是大名鼎鼎的欧姆定律:指在同一电路中,通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。浓缩成公式:I=U/R。

    无论是用电灯发光,还是用电动机提供动力,我们都利用了电路中电流的做功,那么,到底如何去衡量电路中电做功的多少呢?通过大量的实验以及从定义出发的推导,一个用来衡量电功率的公式出现了:W=UIt,即电路中用电器做功的多少等于通过这个用电器的电流乘以这个用电器两边的电压在乘以这个用电器工作的时间。同时,还有一个专门针对用电器发出热量的公式:P=I方rt,当用电器不是纯电阻的时候可以进行使用。

    利用串联并联中电流电压电阻的规律,以及各个用电器对电功率的要求,基础的用电器诞生了。而在其中不得不注意的,是和我们的关系非常紧密的家庭电路:如何正确而安全的使用家庭电路呢?我们需要从结构上先进行了解。


        上面的图片里就是一个非常经典的家庭电路,通过并联的方式并联在总电路中,电压一般为恒定的220V,从线路上又分为火线(一般为红色)和零线(一般为蓝色)两条主要路线,火线的电压从-220伏到220伏不等(这是因为火线里流通的是交流电,电流的流向一直在变化,但通过电流转换器可以转换为电压220伏的直流电使用),如果人直接接触,人将会作为导体接受巨大的电流袭击,造成严重的触电事故,所以在维修电路时,应该用电笔检测零线和火线,注意电笔同样要正规使用,紧握电笔的金属头。零线的电压折恒定为0v,这是因为零线的源头是直接接入地面的,而地面相当于一个无限大的电阻,如果没有其他的突发原因,接触这根线是没有任何危险的。同时,在这样的设计之下,两个线路的电压不同,成功的让电流得以产生。

      值得注意的是,家庭电路在最开启处还存在电能表,空气开关,前者是为了收费,后者则同时具有关闭整个家庭电路以及保险的作用,当家庭电路发生短路,使线路里的电流直线增大,空气开关就会自动跳闸,使家庭电路断路,以免家庭电路里过大的电流流入到干路中,造成大面积的停电和电路事故。

      在空气开关之后,才是真正连接用电器的线路部分,当然连接的方式是并联。具体在各个用电器的导线上,开关处于火线到用电器之间的阶段,以便在用电器发生事故时断电,及时使整个电路中都没有任何触电的可能性(触电的本质是人类在电路断路后或者接触电路后被电路当成了导体,因此能够发现所有家庭电路中的设计都围绕着不让人成为这个导体展开,而电笔这一类的用电器的逻辑则是让人成为安全的导体)就算在最终的用电器上,还存在一个特殊的线路,地线,连接着所使用用电器的外层金属,当用电器内部线路短路导致漏电,地线可以及时地将电流导入地底,化解危机。

      那么这就是我们在电学单元探索的历程了。从人类认识电的本质到使用它,前后才不过短短几百年的时间,但是电却让我们人类实现了接连几次的技术飞跃,可以说,电造就了现代文明,成就了我们当今的世界。我们也需要永远对其怀有敬畏,并且能够始终的科学用电,合理用电。

     

         

   

     

     

   

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