第4章 手电筒的剖析

手电筒的应用是极其广泛的，例如它可以帮助人们在背光的环境下阅读，也可以用于发送编码后的信息，这只是其中最显而易见的两个功能。普通的家用手电筒，还可以作为科普教育中的重要道具，引导人们走进神秘的电的世界。

电是一种神奇的现象。尽管电已经被普遍地应用到各个领域中，但当人类自豪地宣称已经理解了电的工作机制时，真实情况是，关于电仍然存在着大量的未解之谜。但是，在本书中恐怕我们无论如何都得仔细钻研一下电学了，幸好，我们只需要一点基本概念就可以理解电在计算机中的工作原理。

手电筒无疑是大多数家庭里最简单的家用电器。拆开一个标准的手电筒，你会发现里面有一对电池、一个灯泡、一个开关、一些金属片，还有一个可以容纳这些元件的塑料外壳。

你只需要电池和灯泡就可以自己来做一个简单的手电筒了。当然，你还需要一些短的绝缘导线（末端剥去绝缘皮），此外你还必须把这些元件连接起来，如下图所示。

注意，在上图的右边，我们可以看到两个断开的线头，那就是开关。假设这两个电池没有问题，灯泡也没有烧坏，让这两个线头互相接触，就可以点亮灯泡。

刚刚完成的就是一个简单的电路。首先要注意的是，一个 电路 就是一个 环路 。只有从电池到导线，再到灯泡和开关，然后再通过导线回到电池的整个回路是连通的，灯泡才能被点亮。电路中出现任何的中断都将使灯泡无法正常发光。开关的作用就是控制这个断开的过程。

电路这种环状回路的特性说明电路中有某种东西在循环流动，或许有些像水流过水管那样。“水和水管”这个比喻经常被用来解释电流工作的原理，但是这种模型就如同所有其他的类比一样最终也无法自圆其说。在茫茫宇宙中，电不同于任何其他的事物，我们必须用它的术语来解释它。

研究电流工作原理的、最主流的科学理论叫做“电子理论”（electron theory），这套理论认为电流是由电子的运动而产生的。

众所周知，所有的物质——我们所能看到和感觉到的事物——（通常情况下）都是由叫原子（atom）的极其微小的东西组成的。每一个原子又由三种粒子构成：它们分别是中子（neutron）、质子（proton）和电子（electron）。你可以把原子的结构画成一个小太阳系，其中中子和质子被束缚在原子核内，而电子则围绕着原子核旋转，犹如行星围绕太阳旋转一样。

我要提醒大家的是，如果你能搞到一个放大倍数很大的显微镜足以看清原子结构的时候，你会发现这张图与原子实际的样子并不一样。但是我们可以把它当做一个研究模型，方便我们进行一些探讨。

上图所表示的原子包含有 3 个电子、3 个质子和 4 个中子，这表明它是一个锂原子。锂是 112 种已知元素之一，这些元素都有一个 1 到 112 之间的特定原子序数（atomic number）。原子序数表明了这种元素一个原子的原子核中所含的质子数，（通常）同时也是一个原子所含的电子数。锂的原子序数是 3。

原子之间可以通过化学的方式结合形成分子（molecules）。分子的性质通常与组成它的原子大相径庭。例如，水是有水分子组成的，每个水分子由两个氢原子和一个氧原子（即 H₂O ）构成。很明显，水跟氢气或氧气都是截然不同的。同样，食盐的分子是由钠原子和氯原子构成的，显然这两种东西都没法让我们的炸薯条变得更加可口。

氢、氧、钠和氯都是元素。水和盐都是化合物（compound）。不过盐水是混合物（mixture）而不是化合物，因为水和盐都各自保留着它们自己的性质。

一个原子中电子的数目一般情况下与质子数目相同。但是在某些情况下，电子可能从原子中脱离。这就是电流产生的原因。

电子（electron）和电（electricity）这两个单词都是起源于古希腊文“ηλεκτρον（elektron）”，关于这个词，你可能会猜测它是表示“微小而又无形的东西”之类的意思。但是事实并非如此—— ηλεκτρον 的意思是“琥珀（amber）”，它是树的汁液硬化后变成的一种玻璃状固体。这两种风马牛不相及的东西会被联系到一起的原因源于古希腊人所进行的试验，他们曾经通过琥珀摩擦羊毛，产生了我们称之为“静电”的东西。用琥珀在羊毛上摩擦使得羊毛掠夺了琥珀的部分电子。结果羊毛会因为电子数超过了质子数而卷曲，而琥珀的电子数比质子少了。后来在现代的其他一些实验中，人们发现，毛毯也可以从我们的鞋底中带走电子。

质子和电子都具有带电荷（charge）的性质。质子有一个正电荷（+），电子有一个负电荷（-）。中子是中性的，因而不带电荷。尽管我们使用了加号和减号来标识质子和电子，但是其实这些符号并不带有任何的数字方面的含义，也就是不能说明质子拥有电子所没有的性质。使用这些符号仅仅表示质子和电子在某个方面上的性质是相反的。这个相反的特性也正表明了质子和电子是相互关联的。

当质子和电子在相同数目的条件下共存时，它们都处于最和谐、最稳定的状态。如果质子和电子之间出现失衡现象，它们就会试图进行自我修复。当地毯偷偷摸摸地从你的鞋子上挖走电子后，一切会在你触摸到一些东西而感到被电了一下时，又回归到平衡状态。静电火花是电子运动引起的，是电子通过一个回路——从地毯传到你的身体，再回到鞋子中的过程所造成的。

质子和电子之间的关系还可以这样描述，就是异性电荷相吸引，同性电荷相斥。不过关于这一点，我们仅仅靠观察原子结构图是观察不出来的。原子核中的质子被一种力量束缚到一起，这种引力要强过同性电荷之间的斥力，我们称之为“强力”（strong force）。强力有可能会引起原子核的分裂，而核能就是由此产生的。在本章中，我们仅仅讨论通过电子得失来获得电能的问题。

静电不仅仅存在于手触摸门把手时产生的小火花中。在风暴中，底层的云积聚了大量电子而顶端的云失去电子；最后，一道闪电划破长空，使这一切又回到平衡。闪电是大量电子从一端快速地移动到另一端所形成的。

手电筒电路中的电流显然要比火花或者闪电更容易驾驭得多，灯泡之所以能够稳定而持续地发光，是因为电子并不是简单地只是从一点跳到另一点。电路中，某原子所含有的一个电子逃逸到它相邻的下一个原子中，与此同时，这个原子又从相邻的上一个原子中获得一个电子，而失去电子的原子又会从与其相邻的一个原子获得电子，如此循环。电路中的电子不断地从一个原子移动到下一个原子，就形成了电流。

这一切都不是自发产生的。我们不能仅仅只把一堆破旧的电路材料随便连接起来后就开始祈求电流的出现。我们需要一种设备来促成电路中电子的流动。回头再分析一下前面所画的简单手电筒的线路图，我想我们能很把握地断定，使电子流动的既不是导线，也不是灯泡，那么或许这个关键的设备就是电池。

关于手电筒中用到的电池类型，大部分人应该都有所了解。

• 它们是筒状的，并且有不同的大小，例如D、C、A、AA、和 AAA 等型号。
• 无论电池的大小如何，都标有“1.5 伏”。
• 电池的一端是平的，标有一个负号（-）；另一端有一个小的凸起，并标有一个正号（+）。
• 如果你想电器正常工作的话，装电池的时候，就要注意让它的“+”端朝着正确的方向。
• 电池的电能终将被用尽。有些电池可以进行再次充电，但是有些却不可以。
• 最后，我们猜测，通过某种很神奇的方式，电池能够自己产生电能。

所有电池的内部都会发生化学反应，也就是说一些分子被分裂形成其他的分子，或者分子间互相结合形成了新分子。电池内的化学物质是经过研究精心选择的，它们之间的化学反应能够使多余的自由电子聚集到标负号“-”的那端（称为负极或者阴极），而在标有正号“+”的那端（称为正极或者阳极）则变得急需额外的电子。于是，化学能就能被转化成了电能。

这种化学反应不会一直进行下去，除非我们有办法能使负极多余的自由电子回到正极去。因此如果我们没有给电池连上任何东西，什么事情也不会发生（实际上电池内仍有化学反应发生，但是非常缓慢）。电路可以将负极的电子带走，以补充正极缺失的电子，只有当存在电路的时候，化学反应才会发生。如下图所示，电子在电路中的这次旅行是沿逆时针方向的。

在本书中，红色用来表示在导线中有电流经过。

如果不是基于这样一个简单的事实——所有的电子，不管它们在哪里，都是完全一样的，或许电池内化学物质中的电子就无法如此自由地与铜导线中的电子混合在一起。铜的电子与其他物质的电子没有任何差别。

注意，所有的电池都是按相同方向放置的。下面的电池的正极，从上面电池的负极获得电子。就好像两个电池组合成了一块更大的电池，它的正负极分别在两块小电池的两端上。组合后的电池不再是 1.5 伏，而是 3 伏。

如果我们把电池组中的一块电池倒置，电路就不能工作了。

两个电池的正极进行化学反应都需要电子，但是由于这两个正极相互接触，电子根本无法通过某种途径到达它们。如果两个电池的正极连到了一起的话，它们的负极也应该连在一起，如下图所示。

现在电路能够正常工作了。与前文我们提到的“串联”方式不同，这种连接电池的方式被称做“并联”。并联后的电压是 1.5 伏，与每个电池的电压是一样的。或许灯泡仍能发光，但是肯定没有串联电池的灯泡亮。不过电池的使用寿命也将延长一倍。

一般情况下，我们认为电池为电路提供了电能。但是我们也同样可以反过来想，电路为电池内的化学反应的进行提供了条件。电路把电子从电池的负极运走，然后转移到电池的正极。电池中的化学反应将持续进行，直到所有的化学物质被消耗完，那时你就可以把电池扔掉或者重新给它充电了。

从电池的负极到正极，电子流经了导线和灯泡。但是为什么我们需要导线呢？电流不可以直接被空气传导吗？哦，可以说能，也可以说不能。电流可以通过空气传导（特别是潮湿的空气），不然的话我们就看不到闪电了。但是电流也不能轻易地穿过空气。

一些物质在导电能力上要比其他一些物质明显更好一些。元素的导电能力与它原子内的结构有关。电子围绕原子核运行的轨道分为不同等级，我们称其为“电子层”。如果原子的最外电子层中只含有1 个电子，那么这个电子很容易逃逸，这就是易导电物质所需具备的特性。这些物质对于电流来说是“导通”的，因而被称做导体（conductor）。最好的导体是铜、银和金。这三种元素位于元素周期表的同一列不是巧合。其中铜是用来制作导线的最常见的原料。

与导电性相反的是阻抗性。有一些物质与其他的物质相比更不容易让电流通过，我们称其为电阻。如果一种物质有着很强的阻抗性——也就是说它几乎不能传导任何电流——它就被称为绝缘体（insulator）。橡胶和塑料都是很好的绝缘体，因而它们经常被用来包裹金属导线。布料和木头在干燥的空气中也是很好的绝缘体。不过事实上只要有足够高的电压，任何的物质都是可以导电的。

铜具有很低的阻抗，但是实际上或多或少仍然会存在一点。导线越长，它的阻抗就越高。如果你用几英里长的导线来为自制手电筒布线的话，导线所产生的阻抗将变得很高，以至于手电筒将无法正常工作。

导线越粗，它的阻抗就越低。这可能有些违背我们的直观感觉。你可能会想，粗一些的导线需要更多的电流来“填满它”。但是实际上粗一些的导线可以使更多的电子顺畅地通过线路。

前面我多次提到了电压，但是却还没有定义它。一个电池有 1.5 伏的电压，这意味着什么呢？实际上，电压——因亚历山大·伏特（Alessandro Volta, 1745-1827）伯爵的名字而得名，他于 1800 年发明出第一枚电池——在初等电学中是最难理解的概念之一。电压表征了电流做功的“势”（potential），也就是电势能的大小。不管电池是否被连接到电路中，电压都是存在的。

想象一块砖，当它在地板上时，这块砖只有很少的势能。把它从地面上举到离地板四英尺的高度，现在这块砖就会有比较多的势能。如果你想了解所谓“势能”到底是多少，把砖扔掉就可以了。当我们拿着砖跑到一座高楼的楼顶时，它的势能会更多。在这三个场景中，你只是拿着这块砖，它并没有做什么，但是这块砖的势能却差别迥异。

电学中还有一个比较简单的概念是电流（current）。电流与流经电路的电子数有关。它的计量单位是安培，这得名于安德烈·玛丽·安培（André Marie Ampère, 1775-1836），不过大家一般简称这个单位为“安”，例如“10 安的保险丝”。假如要获得 1 安的电流，你就需要保证每秒有 6,240,000,000,000,000,000 个电子通过电路中的某一点。

“水和水管”的这个比喻现在可以帮你理解这些概念：电流可以看成是水管中流水的量。电压可以看做是水压。阻抗有些类似水管的宽度——水管越细，阻抗越大。所以水压越大，流经管子的水也就越多。水管越细，水管里流动的水也就越少。水管中流水的量（相对于电流）与水压（相当于电压）成正比，与水管的纤细程度（相当于电阻）成反比。

在电学中，如果你知道了电压和电阻，就可以计算出电路中的电流是多少。电阻——一般来说物质都倾向于阻拦电子的通过——的单位是欧姆，它得名于乔治·西蒙·欧姆（Georg Simon Ohm, 1787-1854）。著名的欧姆定律就是由他提出的。该定律可以表示为：

I = E / R

其中，I 用来表示电路中的电流，E 用来表示电压（它代表电动势），R 表示电阻。

例如，下面这节电池是单独放置的，没有连接任何设备。

它的电压 E 是 1.5 伏。它代表做功的势能，但是因为正负极通过空气也有连通，所以电阻（R 所代表的物理量）非常非常大，也就是说，电流（I）等于 1.5 伏的电压除以一个极大的数。因而电流在这里几乎是 0。

现在我们用一小段铜线把正负极连接起来（从现在开始，我们不再在示意图上画导线的绝缘层）。

这种情形被称为“短路”。电压仍然是 1.5 伏，但是现在的电阻非常非常小。现在的电流等于 1.5 伏的电压除以一个非常小的电阻值。也就是说电流将变得非常非常大。大量的电子流经导线。在现实情况下，电流会因为电池的型号大小而受到限制。电池或许无法导通如此大的电流，且实际电压也将低于 1.5 伏。如果电池足够大的话，导线将会发热，因而为电能被转化成了热能。如果导线继续变得很热，它将会发光甚至熔化。

大部分的电路都介于这两种极端情况之间。我们可以把它们统一表述为如下图所示。

上图中的那段折线对于电气工程师来说是表示电阻的符号。这里我们用它来表示电路中的电阻既不很小也不很大。

如果导线电阻较低的话，它将变热并且发光。这就是白炽灯发光的原理。通常，白炽灯泡公认的发明者是美国著名发明家，托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931），但是这种观点是在他取得灯泡的专利之后（1879）被广为传播的，实际上在这个领域很多科学家都有过研究。

灯泡里面有一根很细的金属丝，我们称它为灯丝，一般情况下灯丝是用钨制作的。灯丝的一端连在灯泡底座的凸起上，另一端连到金属底座上，金属底座与凸起之间被绝缘层隔开。金属丝的电阻使它开始发热。如果暴露在空气中，钨丝将达到燃点并开始燃烧，但是在灯泡的真空泡室内，钨丝就会发出光亮。

大多数普通手电筒都用 2 节电池串联成一组，总的电压是 3 伏。手电筒中一般使用电阻为 4 欧的灯泡。因此，电流的大小等于 3 伏除以 4 欧，也就是 0.75 安，也可以写成 750 毫安。这意味着每秒钟有 4,680,000,000,000,000,000 个电子流经灯泡（如果使用欧姆表对手电筒灯泡的电阻进行实际测量，你将得到一个远远小于 4 欧的读数。这是因为钨的阻抗与它的温度有关，当灯泡温度升高并开始发光时，钨丝的阻抗也随之增加）。

你或许已经发现，买回家的灯泡都标有一个固定的瓦特数。瓦特这个单位得名于詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819），他以对蒸汽机的研究而广为人知。瓦特是功率（P）的计量单位，它的计算公式如下：

P = E x I

我们的手电筒是 3 伏，0.75 安的，这表明灯泡的功率应该是 2.25 瓦特。

你家里或许在使用 100 瓦的灯泡。它们被设计成能在 120 伏的电压下工作。因此，流经它们的电流的大小等于 100 瓦除以 120 伏，也就是 0.83 安。所以 100 瓦灯泡的电阻是 120 伏除以0.83 安，即 144 欧姆。

好了，现在我们貌似已经把手电筒里里外外都分析了一遍——电池，导线还有灯泡。但是，我们还忘记了最重要的一部分！

是的，那就是开关。开关控制电路中的电流是否接通。当开关被设置成允许电流通过时，我们称它的状态为“开”，或者“闭合”。当处在“关”或者“断开”状态时，开关不允许电流通过。（“闭合”和“断开”这两个词，在用来描述开关时，其含义与用来描述房门时恰好是相反的。一扇闭合的门会阻止所有试图穿过它的东西；一个闭合的开关却可以使电流导通。）

开关只能是闭合状态或断开状态。电流只能是有或者无。灯泡也只能是发光或者不发光。就像莫尔斯和布莱叶发明的二进制码一样，这个简单的手电筒要么是开着的，要么是关着的。没有介于二者之间的状态。在后面的章节中，二进制码与电气电路之间的这种相似性将起到很大作用。