轉自：《編碼的奧祕》  第四章

            手電筒的用途極為廣泛，用於在黑暗的遮蓋物裡閱讀和用於傳送編碼訊息只是兩個用途最明顯的方面。最普通的家用手電筒也能在教學演示中說明神祕物質電（ e l e c t r i c i t y）時扮演中心角色。

             電是一種令人稱奇的現象，儘管它已得到普遍應用，但依然還保持著很大的神祕性，即使對那些自稱已經弄清楚它的工作原理的人而言也是這樣。但恐怕不管怎麼樣，我們都必須好好努力鑽研一下電學。幸運的是，我們只需要明白一小部分基本概念就可以理解它在計算機中是怎樣應用的。

          手電筒當然是一種大多數家庭都擁有的較簡單的電器。拆開一支有代表性的手電筒，你會發現它包括一對電池，一個燈泡，一個開關，一些金屬片和一個把所有零件裝在一起的塑料筒。

         只用電池和燈泡，就可以自己做一個簡單的手電筒。當然，還需要一些短的絕緣線（末端的絕緣皮除掉）和足夠多的連線物：

          注意上圖右邊兩個鬆開的線端（頭），那就是開關。如果電池有電並且燈泡也沒有燒壞的話，接觸兩個線端，燈就亮了。
         這是我們要分析的頭一個簡單電路，首先要注意的是電路是一個迴路。只有從電池到電線、到燈泡、到開關、再回到電池的路徑是連續暢通的，燈泡才會亮。電路中任何一點斷開都會引起燈泡的熄滅。開關的目的就是控制電路開閉這個過程。

         電路環接的特性提示我們有某種物質在電路中迴圈移動，可能與水在水管裡流動有某些相似。 “水與水管”的類比常用來解釋電的工作機理，但最終它也像其他類比一樣不可避免地解釋不下去了。電在宇宙中是獨一無二的，必須用它的術語來解釋它。

         在對電的工作的理解中，最流行的科學理論是電子理論（ electron theory），該理論認為電起源於電子的運動。

        眾所周知，一切物質—我們能看到、感覺到的東西—（通常）是由極其微小的被稱為原子的東西構成。每一個原子是由三種微粒構成的，即中子、質子和電子。你可以把原子畫成一個小的太陽系，中子和質子固定在原子核內而電子像行星環繞太陽一樣圍繞原子核運動：

        需要解釋一下的是該模型與你在一個放大倍數足夠大的顯微鏡下看到的真正原子不是一模一樣的，它只是一個示例模型。

       圖中原子包含 3個電子、 3個質子和 4箇中子，說明這是一個鋰原子。鋰是已知的 112種元素之一，它們的原子序數由 1 ～ 11 2。一種元素的原子序數是指元素的原子核中質子的個數，通常也是其電子數。鋰的原子序數為 3。

       原子能夠通過化學合成形成分子，分子與組成它的原子的性質通常是不同的。比如水分子包含兩個氫原子和一個氧原子（即 H2O）。顯然水既不同於氫氣，也不同於氧氣。同樣，食鹽分子由一個鈉原子和一個氯原子構成，而鈉和氯都不可能成為法國餡餅的調味品。

        氫、氧、鈉、氯都屬於元素，水和食鹽都屬於化合物。但是鹽水是一種混合物，而不是化合物，因為其中水和食鹽都保持它們各自的性質不變。

         一個原子的電子數通常等於其質子數。但在某種特定環境下，電子能從原子中電離出來，這樣電就產生了。

         單詞 e l e c t r o n和 e l e c t r i c i t y都源於古希臘詞 h l e k t r o n( e l e k t r o n ) ,你可能猜它的意思就是“極其微小而不可見的東西”。但事實並非如此—h l e k t r o n的真正意思是“琥珀”，一種玻璃狀的硬質樹液。這個看似不相關的詞源來自於古希臘人所做的實驗，他們用琥珀與木頭相摩擦而產生我們今天所說的靜電。在琥珀上摩擦木頭使木頭從琥珀獲得電子，結果木頭所含的電
子數多於質子數而琥珀所含的電子數小於質子數。在更多的現代實驗中，地毯能從鞋底獲得電子。

          質子和電子具有帶電荷的特性，質子帶正電荷（ +）、電子帶負電荷（－） 。中子是中性的，不帶電。即便我們用加減號來標明質子和電子，但符號並不表示算術運算中的加號和減號的意思，也不表示質子擁有某些電子所不具備的東西。使用這些符號僅僅表示質子和電子在某個方面性質相反。這個相反的特性也正表明了質子和電子是如何相互關聯的。

          當質子數與電子數相等時，它們是最適合和最穩定的。質子數與電子數的不平衡會導致它們趨於平衡。靜電火花就是電子運動的結果，是電子從地毯通過你的身體再流回到鞋子的過程引起的。

          描述質子和電子關係的另一條途徑是注意觀察異電性相吸同電性相斥的現象，但光憑看原子結構圖我們是不能猜想到的。表面上看原子核中擠在一起的質子是互相吸引的。質子是通過比同性斥力大的某種力聚合在一起的，這種力叫強內力。釋放核能的原子核裂變就是由於強內力導致的。本章只討論通過得失電子獲得電（電能）的問題。

           靜電不只存在於手指觸控門把手時閃出的火花之中。暴風雨時，雲層的下層積累電子而云層的頂層失去電子，閃電的瞬間，電子的不平衡馬上消失。閃電正是大量的電子迅速從一端轉移到另一端的結果。

          手電筒電路中的電能顯然比電火花或閃電之中的電能要好利用得多。燈泡能穩定持續地亮是因為電子並不是從一點跳到另一點。當電路中的一個原子把一個電子傳給鄰接的另一個原子時，它又從另一個鄰接的原子獲得電子，而這個原子又從它的一個鄰接原子獲得電子，如此依次迴圈。可見電路中的電就是從原子到原子的電子通路。

           這不可能自發形成。僅僅只把一些破舊的電路材料連線在一起是不可能有電能產生的，需要某種可以激發電子環繞電路移動的物質。再分析一下前面所畫的簡單手電筒電路圖，可以肯定激發電子運動的既不是電線，也不是燈泡，那麼最有可能的就是電池了。
          幾乎每一個人都多少了解手電筒裡所用電池的型別方面的一些知識： 

           • 它們都呈管狀，且大小不同。比如有 D、 C、 A、 A A和A A A等型號。

           • 無論電池大小怎樣，它們都被標有“ 1 . 5伏”。

           • 電池的一端是平的，標有一個負號（－）；另一端中間有一個小突起，標有一個正號（ +）。

           • 要想裝置正常工作，就要正確安裝電池（注意電池極性）。

           • 電池的電能最終將用盡。有的電池可以充電，有的不行。

           • 由此可以猜測，電池是用某種奇特的方式產生電能。

           所有的電池中都發生著化學反應，一些分子裂變成其他分子或者結合形成新的分子。電池中有化學物質，這些化學物質就是用來起反應，從而在標有（－）的電池的一端（稱為負極或陰極）產生多餘的電子而在電池的另一端（稱為正極或陽極）需要得到電子。這樣，化學能轉化為電能。

           只有當某種特別的電子通過某條途徑從電池負極出發，然後再傳送到正極時，化學反應才能發生。因此假如一節空電池放在那裡，那麼什麼事也不會發生（事實上，化學反應還是在進行的，只是速度極慢）。只有一條電路能將電子運離負極又為正極提供電子時，反應才會發生。電子在下圖電路中是沿逆時針方向運動的：

            如果不是基於這個簡單的事實：所有的電子，不管來自什麼地方，都是一模一樣的，否則，來自電池的化學物質裡的電子就不可能如此隨意地與銅導線的電子混合在一起的。銅導線的電子與任何其他電子是沒有區別的。

            注意，兩個電池都是向著同一個方向。放在下面的電池的正極從上面電池的負極獲得電子，這樣兩個電池就好像結合形成了一個更大的電池，這個大電池一端為正極，另一端為負極，其電壓是 3伏而不是 1 . 5伏了。

            如果把電池中的一個倒置，電路就會連不通，如下圖所示：

            在化學反應中，兩個電池的正極都需要獲得電子，但由於它們相互接觸，電子無法通過某種途徑到達它們。如果兩個電池的正極連上了 ,那麼它們的負極也應該連上，如下圖所示：

          這樣的電路還是能連通。電池的這種連線方法稱為並聯，前一種連線方法稱為串聯。並聯後的電壓與單個電池電壓同樣都是 1 . 5伏。並聯後的燈仍然可能亮，但不如串聯時亮度大，不過電池的壽命將會是串聯時的兩倍。

         通常認為電池為電路提供電能，但同樣也可以認為電路為電池化學反應的發生創造了條件。電路將電子從負極傳送到正極。電路中的化學反應將一直進行到所有的化學物質耗盡，這時你就需要換電池或是給電池充電了。

          電子從電池的負極到正極流經了導線和燈泡。為什麼需要導線？電不能通過空氣傳導嗎？噢，可以說能，也可以說不能。電能夠通過空氣導通（尤其是潮溼的空氣），否則也觀察不到閃電。但電不能很輕易地流經空氣。

         一些物質的導電能力比其他物質的導電能力明顯要好。元素的導電能力取決於它內部的原子結構。電子繞核旋轉是在不同的軌道上的，這些軌道稱為層。最外層只有一個電子的原子最容易失去那個電子，這正是導電需要具備的性質。這些物質易導電因而被稱為導體。銅、銀和金都是良好導體，這三種元素位於元素週期表的同一列不是巧合。銅是最常用的導線材料。

         導電物質的對立物質稱為絕緣物質。一些物質阻礙電的能力比其他物質阻礙電的能力強，這種阻礙電的能力稱為電阻。如果一個物質有很大的電阻—說明它根本不能導電—它就被稱為絕緣體。橡膠和塑料都是很好的絕緣體，因而它們常用來做電線的絕緣皮。在乾燥空氣的情況下，布料和木材也是很好的絕緣體。其實只要電壓足夠高，任何物質都能導電。

          銅的電阻很小，但它仍有電阻。導線越長，電阻越大。如果你用數里長的導線連線手電筒，導線的電阻將會大得令手電筒不亮。導線越粗，電阻越小，這可能有點違反直覺。你也許認為粗的導線需要更多的電來“充滿它”。而事實上，導線越粗，電子越容易通過它。我已經提到過電壓，只是還沒有給出它的定義。一節電池為 1 . 5伏特意味著什麼呢？實際上，電壓—得名於 Count Alessandro Vo l t o ( 1 7 4 5—1 8 2 7 )，他於 1 8 0 0年發明了第一節電池—是初等電學中較難理解的概念之一。電壓表徵電勢能的大小，無論一節電池是否被連通，電壓總是存在的。

          假設有一塊磚頭。如果把它放在地上，它的勢能很小。當你把它舉起至離地面 4英尺高時，它的勢能就增加了。你只要把磚塊扔下，就能感覺到勢能的存在。當你在一座高樓的頂層舉著磚塊時，它的勢能更大。上面三個例子裡，你只是拿著磚塊而什麼也沒做，但磚塊的勢能卻不同。

          電學裡更早的一個概念是電流。電流取決於電路中飛速流動的電子的數量。電流用安培來度量，它得名於 André Marie Ampére(1775 —1 8 3 6 )，一般簡稱安，比如“ 1 0安的保險絲”。當6 240 000 000 000 000 000個電子在 1 秒內流過一個特定的點時，就是 1 安培電流。

         用水和水管作個類比。電流與流經水管的水量很相似，而電壓類似於水壓，電阻類似於水管的粗細程度—水管越小、阻力越大。因此水壓越高，流過水管的水量越大；水管越小，流過它的水量就越少。流過水管的水量（電流）與水壓（電壓）成正比而與水管的阻力（電阻）成反比。

        在電學中，如果知道電壓和電阻的大小，就可計算出電流的大小。電阻—物質阻礙電流通過的能力—用歐姆度量，得名於 G e o rg Simon Ohm (1789—1 8 5 4 )，他提出了著名的歐姆定律，定律中表述

                                                                                         I = E / R

這裡I表示電流， E表示電壓， R表示電阻。

           舉個例子，讓我們看一節空置的電池：

它的電壓 E為1 . 5伏，這是電勢能。因為電的正負兩極只被空氣導接，因而電阻（用 R表示）非常、非常大，這就意味著電流 I等於1 . 5除以一個巨大的數，電流幾乎為 0。

           現在用一根短銅導線連線電池的正負兩極（從現在開始，本書中導線外的絕緣皮不再表示出來） ：

我們已經知道這是短路。電壓仍是 1 . 5伏，但電阻很小，這時電流等於 1 . 5除以一個很小的數，也即意味著電流很大。很多很多的電子將流過導線。實際上，電流將受到電池物理大小的限制。電池不可能導通如此大的電流，且實際電壓也將低於 1 . 5伏。如果電池足夠大，導線將會發熱，因為電能轉化為了熱能。如果導線變得很熱，它將會發光（輝光放電）甚至可能熔化。

          絕大部分電路都介於這兩個極端之間。可以把它們統一表述為如下圖：

電氣（子）工程師用折線來表徵電阻。這裡它表示電阻不是特別大，也不是特別小。

          如果導線的電阻很小，導線將發熱發光，這就是白熾燈的工作原理。白熾燈泡是由美國最著名的發明家托馬斯·愛迪生（ 1 8 4 7—1 9 3 1 ）發明的。在他致力於發明燈泡的時候（ 1 8 7 9年），這個思想已被普遍接受並且同時還有不少其他發明家在研究這個問題。

          燈泡裡的細線叫燈絲，通常用金屬鎢做成。燈絲的一端連在基座底部的尖端，另一端連在金屬基底的一個側面，用一個絕緣體將它與尖端分開。細線的電阻使它發熱。如果暴露在空氣中，鎢就會由於達到燃燒溫度而燒起來。但在燈泡的真空裡，鎢絲就發亮了。

         大多數普通手電筒用兩節電池組成一組， 總電壓是 3 . 0伏。 且選用電阻大約為 4歐姆的燈泡。這樣，電流等於 3 除以 4即 0 . 7 5安培，也就是 7 5 0毫安。這就意味著每秒鐘有 4 680 000 000 000000 000 個電子通過燈泡。 （注意，如果你用歐姆表直接測量手電筒燈泡的電阻，你只會得到一個比 4歐姆小得多的結果。這是因為鎢的電阻還與它的溫度有關係，溫度越高，電阻越大。）

         你可能已經發現，你買回家的燈泡上標記了特定的瓦特數。瓦特這個名詞取自於著名的蒸氣機發明家詹姆斯·瓦特（ 1 7 3 6—1 8 1 9）。瓦特是功率 P的單位，它用下式計算

                                                                                       P = E× I

手電筒是 3伏， 0 . 7 5安培，那麼燈泡的功率就要求 2 . 2 5瓦特。

         家用照明燈大約為 1 0 0瓦特，這是為家用電壓 1 2 0伏設計的。在這種情況下，電流為 1 0 0瓦除以 1 2 0伏即大約 0 . 8 3安培。因此， 1 0 0瓦特燈泡的電阻為 1 2 0伏除以 0 . 8 3安培即 1 4 4歐姆。

         到此，我們大致分析了手電筒的每一個組成部分—電池、導線和燈泡。但是我們遺漏了一個最重要的部分、對，是它的開關。開關控制電路的開閉。當開關允許電流動時，我們說它是開的或合上的，而關的或斷開的開關是不允許電流動的。 （這裡所表示的開、關的狀態正好與門相反，合上的門不允許事物通過的，而合上的開關允許電通過。 ）開關或開或關，電流或有或無，燈泡或亮或不亮，就像摩爾斯和布萊葉發明的二元碼一樣，簡單的手電筒或亮或不亮，它沒有中間狀態。二元碼與電氣電路之間的相似性將在後面的章節中起很大作用。

(ps:  溫習了一遍初中物理知識~)