1.5 電路和電路圖

前面已經(jīng)講了電源、電壓和電流，它們的存在給了人類最充分的理由去不斷發(fā)明各種各樣的新型電器，有的甚至讓人覺(jué)得很可笑，比如“太陽(yáng)能手電筒”。你別說(shuō)，這個(gè)創(chuàng)意很好，不過(guò)據(jù)我所知晚上是不會(huì)出太陽(yáng)的。電器的例子不勝枚舉，在這里我只想說(shuō)說(shuō)電燈泡。

電燈泡的發(fā)明用到了電子在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)的一個(gè)特點(diǎn)。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，在常規(guī)條件下，電子在導(dǎo)體中流動(dòng)的時(shí)候并不是那么順暢，差不多是在原子的密林中磕磕碰碰。換句話說(shuō)，導(dǎo)體實(shí)際上對(duì)它的流動(dòng)具有阻礙作用。在電學(xué)中，影響電子流動(dòng)的這種特性叫電阻。

電阻的作用是讓電子的運(yùn)動(dòng)不那么順暢。它不是導(dǎo)體獨(dú)有的，通常情況下任何東西都有電阻。一些電阻較小的物質(zhì)，比如菜刀，被稱為導(dǎo)體；而另一些電阻很大很大的物質(zhì)，比如紙張，被稱為絕緣體。在正常情況下，同樣長(zhǎng)的一段電線，用銀來(lái)制作的話，電阻是最小的（遺憾的是，銀又是最昂貴的物質(zhì)之一。真令人費(fèi)解，大自然為什么非要這樣安排）。

從能量的角度來(lái)看，電子的流動(dòng)是因?yàn)殡娫促x予了電子能量。“能量”這種說(shuō)法我們差不多每個(gè)人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，但通常也只是停留在意會(huì)的層面上，因?yàn)檎l(shuí)也看不到它，更無(wú)法捉摸，但能量卻是無(wú)處不在的。你拿起這本書(shū)需要能量；當(dāng)你看書(shū)的時(shí)候，同樣需要能量維持眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)；為了能在運(yùn)動(dòng)會(huì)上得到一個(gè)其實(shí)并不能用來(lái)喝水的金屬杯子，運(yùn)動(dòng)員們通常要付出更多的能量。

關(guān)于能量的一個(gè)很重要、同時(shí)也很有意思的特點(diǎn)是，它可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種截然不同的形式。烈日當(dāng)空、艷陽(yáng)高照的時(shí)候，被太陽(yáng)曬到的地方就會(huì)發(fā)熱，這說(shuō)明太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成了地球表面的熱能。在地球表面，不同區(qū)域所接收到的太陽(yáng)能是不一樣的，在溫差的作用下，風(fēng)就吹起來(lái)了。當(dāng)大風(fēng)刮起來(lái)的時(shí)候，它具有令人恐怖的能量，會(huì)將大樹(shù)吹折、汽車(chē)掀翻，這叫做風(fēng)能。風(fēng)越大，它具有的能量越多。當(dāng)它吹過(guò)防風(fēng)林的時(shí)候，由于一部分能量會(huì)傳遞給樹(shù)木，這種能量有可能將樹(shù)木折斷，但更通常的情況是使樹(shù)木像喝醉了酒一樣搖搖擺擺，因?yàn)槭チ四芰浚燥L(fēng)會(huì)變小——而這正是林業(yè)部門(mén)的人所希望的。如果風(fēng)吹在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，還能發(fā)出電來(lái)。也就是說(shuō)，風(fēng)能轉(zhuǎn)變成了電能。

太陽(yáng)能也可以轉(zhuǎn)變成化學(xué)物質(zhì)貯存在我們所吃的植物里，比如大米和水果蔬菜。這樣我們?cè)诔粤怂鼈冎蟛拍苡辛獗谋奶⒄f(shuō)說(shuō)笑笑，自由自在地生活在地球上。

總之，用物理學(xué)上的說(shuō)法就是“能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變”。這叫做能量守恒定律，1847年由德國(guó)物理學(xué)家、生理學(xué)家赫爾姆霍茨（1821—1894年）首先提出。不過(guò)這并不是說(shuō)，你可以在不高興的時(shí)候把公司的財(cái)務(wù)報(bào)表給燒了。盡管燒完之后物質(zhì)總量沒(méi)有變——只不過(guò)化成了等量的灰和氣體，但是你再也無(wú)法從灰和氣體上看到這個(gè)季度公司掙了多少錢(qián)，就為這個(gè)，你的老板決不會(huì)原諒你。

通過(guò)前面的介紹我們可以看出，能量是無(wú)處不在、變化多端的。當(dāng)電源開(kāi)始工作的時(shí)候，它把自己的能量源源不斷地傳給電子，迫使它們帶著能量——通常也是在能量的作用下——開(kāi)始流動(dòng)形成電流。

像大樹(shù)從風(fēng)中獲得能量而搖擺一樣，由于電阻的存在，電子會(huì)在電線中釋放出它們的一部分能量，使得組成電線的原子比平時(shí)格外活躍，以我們?nèi)祟惖囊暯莵?lái)看——電線發(fā)熱了。通常情況下這不是個(gè)太大的問(wèn)題，充其量只是一部分電能白白浪費(fèi)掉了，而電線上的熱量也會(huì)很快散發(fā)到空氣中。但是在另外一些極端的情況下，由于電壓太高、電流太大，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)，就會(huì)燒紅電線，導(dǎo)致火災(zāi)。從另一個(gè)立場(chǎng)來(lái)看，這也是燈泡能夠發(fā)光的工作原理。

一個(gè)燈泡、一段電線和一節(jié)電池，這幾樣?xùn)|西裝配在一起就能工作得很好，這稱為電路。不用說(shuō)，要組成一個(gè)電路，有幾樣?xùn)|西是必需的：電源、導(dǎo)線和依靠電工作的各種器件。如果不通過(guò)用電器直接用電線接通電源的兩極，時(shí)間長(zhǎng)了后果不堪設(shè)想，這叫做短路。想想你發(fā)明電源的目的是什么？電子像潮水一般涌出來(lái)的時(shí)候當(dāng)然是攜帶了能量的，這些能量要么傳遞給用電器，要么將電源燒壞、電線燒紅——總之，當(dāng)它們被逼著從電源里怒氣沖沖地跑出來(lái)時(shí)，當(dāng)然需要一個(gè)撒氣兒的地方，除非趕快想辦法將電路斷開(kāi)。

不同的電路有不同的用途，而為了不同的用途也需要發(fā)明不同的電路。為了向別人展示你新發(fā)明的電路，你可能得跑到他們面前把這個(gè)電路重新連接一遍。這么干是非常不方便的，要想坐在家里就能讓別人明白你是怎么干的這活兒，最好是拿一張紙把它畫(huà)出來(lái)，就像前面的圖1.1和圖1.2那樣，畫(huà)好之后把它拿出來(lái)一展示就行了。要是拿到印刷機(jī)上一印，嘿，無(wú)論再多的人也能同時(shí)欣賞。當(dāng)然，你畫(huà)得越逼真越好，這樣別人才能看得清楚明白。

今天，由于考慮到畫(huà)實(shí)物圖很費(fèi)事，而且有些人在美術(shù)方面的能力也著實(shí)太糟糕，畫(huà)什么不像什么，所以大家一致認(rèn)為必須采用一些簡(jiǎn)單的符號(hào)來(lái)代表各種電路器件。一些比較簡(jiǎn)單的，如電池、燈泡和電線，它們的實(shí)物圖及符號(hào)如圖1.3所示。其中，電池的符號(hào)是兩條線段，其中又細(xì)又長(zhǎng)的那條代表正極，又粗又短的那條代表負(fù)極。要表示一根電線是最簡(jiǎn)單的，只需要畫(huà)一根線條就可以了。

有了這些符號(hào)之后，再來(lái)畫(huà)圖1.1那個(gè)電路就很省事兒了（圖1.4）。

電路復(fù)雜的時(shí)候，會(huì)經(jīng)常遇到電線交叉的情況。如果它們并沒(méi)有接通，就表示成圖1.5（a）那樣；如果它們是連接在一起的，則表示成圖1.5（b）那樣。

這里有一個(gè)很好的例子說(shuō)明了電線是如何交叉連接的，如圖1.6所示。它表明了如何用一節(jié)電池讓兩只燈泡同時(shí)發(fā)光。左邊是實(shí)物圖，右邊是它的電路圖。

電力是我們能得到的最好、最清潔的能源。當(dāng)你用電的時(shí)候，它不會(huì)冒著煙、滴著水，或者因?yàn)樾孤┒卸荆@些情況通常只有在燒煤或者燃油的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)。不過(guò)，電能從來(lái)都不曾充足到我們可以隨意浪費(fèi)的地步，更何況我們還得為它付錢(qián)。就算你不心疼錢(qián)，也不關(guān)心人類的前途和國(guó)家的命運(yùn)，你也不能保證電不會(huì)危害你。當(dāng)你觸了電，或者因?yàn)橛秒姴划?dāng)發(fā)生了火災(zāi)，你不能指望通知幾千千米之外的發(fā)電廠停工，這個(gè)時(shí)候最明智的做法是就近切斷電流。總之，能夠隨意控制電流的通斷是很重要的，而要做到這一點(diǎn)，我們需要另外一樣?xùn)|西——我想你已經(jīng)知道了，是的，這就是開(kāi)關(guān)。

開(kāi)關(guān)這種東西人人都知道，而且種類繁多，家家都有。所有開(kāi)關(guān)都干一樣的活兒，那就是將電路斷開(kāi)或者接通。咱們國(guó)家幅員遼闊，同一樣?xùn)|西，在每個(gè)地方的叫法可能都不一樣。有一種東西，在東北叫“壁火”，但是出了山海關(guān)，再壁火壁火地叫這種東西，大家就不知道是什么了。其實(shí)說(shuō)白了，這就是開(kāi)關(guān)。

為了表示一只開(kāi)關(guān)，我們通常使用下面這樣的符號(hào)（圖1.7）。

而要用一只開(kāi)關(guān)來(lái)控制兩個(gè)燈泡的亮滅，它的電路圖則應(yīng)當(dāng)是如圖1.8所示的那樣。

電學(xué)是一門(mén)很有趣的學(xué)問(wèn)，我也很愿意花更多的篇幅來(lái)講這些東西。但是非常遺憾，這是一本講述計(jì)算機(jī)奧秘的書(shū)，大多數(shù)讀者正期盼著進(jìn)入真正的主題，所以我們只能到此為止。就像美國(guó)前總統(tǒng)艾森豪威爾所說(shuō)的那樣：“我們已經(jīng)揍死了這匹馬，現(xiàn)在，讓我們換一匹吧！”