电子是什么?相信每个人都有自己的回答,无论你是理工背景或者文史背景,只要你活在如今这个世界,电子产品或技术无处不在。就连当今最热门的AI(人工智能)也离不开电子技术,可以说,没有电子技术和产品,AI也将无处谈起。
本文将从生活中的常见现象,逐步带您走进电子世界,真正理解几个基本电学概念,以作为进入电子世界的基础。
曾经,电子是一个神秘的学科,他区别于可见的、传统的基于机械结构的可触及的感观基础世界。自1820年奥斯特发现电流对磁针有作用开始,电子进入科学家的视野,并引起了注意。自此,同样是在19世纪,安培、欧姆、法拉第、楞次及雅可比等电子的先驱们不断的揭开电子、电磁学的面纱,奠基了电子技术的基础知识。有了这些,才有了后来的电子管、晶体管、芯片,才有了计算机、网络、AI……
说来说去,电子到底是啥玩意儿?相信一说起电子,相信有一点点科学常识的人都会想到几个基本物理量——电流、电压、电阻。不要告诉我你没听过,连现在的小学生都知道哦。可怎么理解更生活化呢,能不那么抽象吗?
先说电流,都说是“电子”的流动(其实专业上不是电子的流动,而是正电荷的流动,查下初中物理书),可是看不见啊,得靠想象力。能让它看的见吗?它流起来什么样子,会对电路和电子产品有什么影响呢?和你身边的电子产品有啥关系呢?
哲学告诉我们,世间万物都有其共同的规律。我们能看得见的“流”有哪些?气流、水流、泥石流等等,这些可都是物理研究的基本物质形态(气体、液体、固体)的流动,略微抽象点,就看“车流”吧。这与理解电流有什么关系呢?
图1 十字路口观察车流示意图
科学上定义的电流指:单位时间里通过导体单位横截面的电量叫做电流强度,简称电流。换句话说,就是单位时间里通过单位横截面的电荷的数量,数量越多,电流就越大。然而如何更形象的理解呢?如图1所示的交通十字路口,我们站在任何一个角落观察“车流量”(假设在左下角),观察从左向右的车流。马路宽度固定(假设有三个车道),绿灯一亮,三个车道的车同时启动,那么一分钟后假如每个车道经过你的位置有10辆车通过,那么我们可以说“车流量”是30辆/分钟;倘若有四车道,就是40辆/分钟。同样是3车道,如果绿灯亮开始,一分钟后过了15辆车,则车流量为45辆/分钟。
通过这个即可评估这段道路的“车流量”,以反映这段马路的“负荷”。同理,电流大小就是用来反映带电体(导体)的负荷。在导体上单位时间通过横截面的电荷数量,把汽车想象成电荷,就与如上所述一样的道理了。
那么电压该如何理解呢?这相比电流更加抽象,因为它本身也是一个相对的概念。
回想我们的一个生活场景,早上起床洗脸刷牙的时候,在打开洗脸池水龙头的瞬间就有一个现象,水瞬间从龙头里喷出来,到了池子里后,溅出小水花。从水龙头到洗脸池有一段高度,因为大地的万有引力的作用,水总是往低处流。不难想象,水龙头出口处到池子底部形成的这段水柱,从上到下是有不相等的势能(势能是永远存在的,如图2中的E1和E2),两个不等势能间存在差值(图2中的“e”),在这里就是“水压”。要知道,这段水柱是从上往下流动的,这水为什么会流动呢,如果用手堵住水龙头,怎么就不流了。
图 2
图- 3 电荷在导电体中流动
其实再仔细想一想,水从上往下流的这段高度中间的任何一段,水流最大的阻力是什么?对,是空气,别以为空气什么都不是哦,它也是一种物体。只不过空气的阻力太小,不足以阻止因势能差而引起水从上往下的流动,而用手堵时,手的阻力是足够大。如果以上把水换成电(参见图3):
Ø 水流就变成了电流(参见图3带箭头的黑点),水压就变成了电压(图3的V);
Ø 水在不同点因势能产生了水压,电在不同点因电势差产生了电压;
Ø 水在阻力小时,因为水压的作用而流动产生的水流;电荷在阻力小时因为电压的作用产生了电流。
是不是觉得容易理解多了呢,并没有那么神秘。根据上面的例子,就可以引出另外一个基本概念——电阻。
Ø 如上所述,水因阻止其流动的阻力小,在水压的作用下才流得动,有了水流;
Ø 电荷因阻止其流动的阻力小,在电压的作用下才能流得动,有了电流。
阻止电荷流动的阻力就是电阻。是不是很好理解呢?难怪说哲学是所有学科的基础学科,万事万物都有其电根本的,相通的规律。
在电子世界,电流、电压和电阻是几个基本的概念,它们如何与我们的深深的结合在一起,不断得影响这我们的生活。怎么做到的,后续我们将用生活现象逐步带你看懂电子产品。