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第 1 章 运动的电子 电气理论和电子学领域是极为广阔的，一开始甚至可能令人生畏。实际上，你不需要为了使电路正常运行而去了解所有的理论细节。但是，理解电是什么以及它整体上是怎样工作的，有助于你迈向成功。这就是我们以下要讲的内容。 本章有两个主要目的。首先，我想摒弃过去用于描述导体中电子流动的陈旧类比——“水在管中流动”。这个类比并不准确，还可能引起错误的设想。我认为，有一种更好的方法来形象地描述这一过程，但是我们需要对原子是什么，以及它的组成部分如何产生电荷以至最终产生电流有基本的了解。这听起来可能更像物理世界的内容（事实正是如此，还有化学世界），但是，一旦你懂得了这些概念，荧光灯、霓虹灯、闪电、电焊机、等离子切割炬、加热元件，以及你希望在项目中使用的电子元件等就都容易理解了。过去的“水在管中流动”模型类比确实不太恰当，而且除了解释为水在管中流动之外，它也不容易解释成别的什么东西。 其次，基于这个以原子为基础的模型，我想介绍一些基本概念，这些概念将会在你从事自己的项目时用到。学完本章后，你应该已对电压、电流和功率等术语的含义有了很好的了解，并已掌握它们的计算方法。如果你需要更多基础性的细节，请查询附录A，其中包含串联和并联电路概述以及交流电路的基本概念。当然，这方面有很多优秀的教材，如果你想深入探究电子学原理，我鼓励你去查阅它们。 如果你已经熟知电子学的基本概念，尽可以跳过这一章。如果你在过程中的某一环节需要更多细节，不要忘记查询附录A和附录C的建议参考内容。 1.1 原子和电子电这个词在日常使用中指的是可以在计算机里、在壁式电源插座中、在街边电线杆上架着的电线里或者在电池两极找到的东西。但是，这个东西到底是什么呢？ 电是电子运动的物理表现。电子是微小的亚原子物质，带负电荷。我们知道，所有的物质都是由原子组成的，每个原子中心都有一个原子核，带净的正电荷。每个原子内部又有一个或多个带负电荷的电子以量子化形式围绕着带正电的原子核高速运动。 听到电子“绕”原子核运动，似乎没有什么不寻常，但这种说法并不是完全准确的，至少对于传统的“绕”的含义来说并不准确。电子绕原子核运动的方式不像行星围绕恒星的运动，也不像卫星围绕地球的运行方式，但是这样类比已经很接近我们的目的了。 事实上，原子的结构更像在原子核周围包裹着一层层的“云”，电子位于“云”中的某处。一种考虑方法是把这些“云”想成概率云，电子有很高的概率位于特定的某一层。由于量子物理学的怪异原理，我们在任何给定的时间内都不能在不造成破坏的情况下直接确定电子的位置，但是我们可以通过间接测量来推断它的位置。这真是有点让人心烦，我们就不再深入讨论这个问题了。如果你想了解更多细节，我推荐你看一本现代化学或物理教科书。或者如果你要想看些轻量级的介绍，那你可以查看一下已故理论物理学家乔治·伽莫夫的“汤普金斯先生”系列丛书。 大多数原子核由两种基本粒子组成：质子和中子。氢原子是例外，它的原子核中只有一个带正电的质子。原子核中可能有多个质子，具体取决于它是哪一种原子（铁、硅、氧原子等）。每个质子都带一个正电荷（称为单位电荷）。大多数原子也含有多个中子，中子和质子的质量相近，却不带电荷（你可以认为它们是原子核的压载物）。图1-1是一个氢原子和一个铜原子的示意图。 图 1-1 氢原子和铜原子 原子核中的质子带+1单位电荷，与电子的-1单位电荷相抵消，所以整个原子呈电中性，即原子处于稳定状态。如果原子丢失一个电子，它将带净的正电荷；而如果原子得到一个电子，它将带净的负电荷。 原子中的电子以轨道壳层（即前文所述“云”）的方式排布，最外层称为价电子层。传统理论认为每个壳层都有唯一的能量等级，每层都能约束特定数量的电子。最外层一般决定原子的化学和导电特性，依据是原子得失电子的难易程度。有些元素的价电子层是“不完整”的，例如金属。“不完整”的意思是该层的电子数小于最大可能电子数，该元素化学性质活泼，能与其他原子交换电子。当然，实际情况比这要复杂得多，但是更确切的定义超出了本书的范围。 例如，我们注意到图1-1中的铜原子有29个电子，其中一个在28个电子组成的主组之外（这28个电子应当排布在原子核周围的各个壳层内，此处为了清晰表示而没有画出）。这个单独的最外层电子就是铜的价电子。由于铜原子的价电子层不完整，这个电子结合得并不紧密，因此铜原子要把它传递出去并不费多大力气。换句话说，铜是相对良好的导体。另一方面，硫这样的元素最外层电子数完整，不容易释放电子。硫是导电性最差的元素之一，因此它是良好的绝缘体。银是导电性最好的元素，这也解释了它为何在电子学中应用广泛。铜的导电性次之，再往后是金。然而，还有一些其他元素传递电子的性质比较模棱两可，但是在特定的情况下会导电。它们叫作半导体，是现代电子工业的关键物质。 以上模型对于我们的目的已然足够，我们就不深究原子结构的更多秘密了。我们感兴趣的是当原子在传递电子时发生了什么，以及为什么它们会这样开始。 1.2 电荷和电流电学包括两个基本现象：电荷和电流。电荷是物质的基本特性，是物质与电中性时相比，所带电子数多余（带负电荷）或电子数不足（带正电荷）而显现出的特性。带负电荷或正电荷的原子有时称作离子。 电荷的基本特性之一是同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。这就是电子和质子能够被约束在一个原子里的原因，尽管在大多数情况下，由于原子粒子的其他基本特性，电子和质子并不能直接结合在一起（特殊情况包括某种特定的放射性衰变和超新星爆发）。最重要的是，我们要记住，负电荷会排斥电子，而正电荷会吸引电子。 电荷的内部和它自身都是很有趣的，但从电子学的角度来看，并不是特别有用。对于我们来说，只有当电荷运动时，有趣的事情才真正开始。电子在回路中的运动称为电流。在寒冷干燥的天气里，当你行走在地毯上时，身上积累了静电荷，在你碰到门把手时发生了电荷的传递，这也是电流现象。实际上，电流从高电势（你）流向低电势（门把手），很像瀑布的水一泻千里，也像石头滚落山坡。这样，索然无趣的静电荷突然就变得非常有意思了（或者至少应当引起你的注意）。当电荷静止时，它被称作电势，我们可以在电势和机械势能之间做个类比，你会在下文看到。 当组成导体和电路元件的原子之间互相传递电子时，电流就产生了。电子向带正电的物质移动，所以如果你用导线将一个小灯泡与电池连接起来（有时称作闪光灯），电子从电池的负极流出，穿过灯泡，回到电池正极。它们使灯丝白热发光。 图1-2是导线中铜原子的一幅简化图表，它显示了将电流形象化的一种方式。当一个电子进入导线的一端，它就使得第一个原子带负电荷，于是这个原子带有多余的电子。假设有一个连续的电子源，新的电子不能由原路返回，所以它向下一个电中性原子移动。该原子现在带负电，有一个多余的电子。为了再次变回电中性（原子的首选稳定状态），这个原子又将一个多余的电子传递给下一个（电中性）原子，以此类推，直到一个电子在导线的另一端出现。只要导线连接着一个受压的电子源和让电子返回电子源的路径，电流就会一直流动。这种压力叫作电压，在1.3节会有详细介绍。 图 1-2 电子在导线中运动 图1-3显示了对电流的另一种理解方式。此处我们有一根装满了弹球（电子）的导管（导体）。 图 1-3 电子模型——导管中的弹球 当把一个弹球推入导管的一端，就会有一个弹球从另一端掉落。管中的弹球数量保持不变。需要注意的是，进入导体一端的电子和从另一端出来的电子并不一定是同一批，如图1-2和图1-3所示。事实上，如果导体足够长，从一端引入的电子可能就不是从导体另一端离开的电子了，但是电子一定会出现，你也仍然能测量导体中电子的运动。
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