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从电开始了解计算机

微机原理 彭东稳 8788次浏览 已收录 0个评论

电学是我们身边的科学,在现代社会没有电都不敢想象是什么样子。在电与人类的关系方面,过去和现在的情况始终是——-就拿电灯来说先有了电于是才有了电灯而电灯为什么要这样构造?那是因为我们发现只有这样构造,电才能为我们发光。不了解电,你永远也不会明白电子计算机为什么非得是这个样子,它到底是怎么工作的。

导体和绝缘体

我们知道电的传输靠的是电线,而电线是由像金银铜铁铝这样的物质构成。因为它们能导电所以也叫导体,而通常情况下不能导电的物质叫绝缘体。但有时候像木头这样的东西再被雨水淋湿之后也会导电,可见导体和绝缘体之间的界限并不是十分绝对。人体也能导电。

尽管看不见,但几乎所有人都会“感觉”电更像非常微小的颗粒,它们可以在导体中游走。原则上这种认识并没有错,从18世纪以来科学家们就在思考和研究这件事情,并把这种非常微小的粒子起名叫电子。你可以随意想象电子在物体里穿行的样子,导体有空隙而绝缘体没有,所以绝缘体不能导电。但需要指出的是实际情况并非这样。

原子

理论上讲所有物质都是可以无限分割的,当然这只是在意念上它才是正确的、因为没有谁能够把物质无休止地分割下去、一来没有那么薄的刀片、二来人的眼睛也看不清太小的东西。

 

在我们身边有着数不清的东西它们大小不同、形状各异光是地球上有多少种动植物,也没有一个人能说的清楚。那么组成所有物质的最小微粒是什么呢?从物理学角度来说是原子,物质不同而所构成它的原子也不同。而原子也并不是一个实心球、它实际上还具有更小的组成部分。原子内部大部分都是空的,在它的中央有一个非常微小的核心,由数量不等的质子和中子聚集在一起组成,称为原子核。而在原子核的外面,是围绕着它的核外电子简称电子。

说实在的,对于原子内部的世界是什么样子,大多数时间我们只能依靠想象。通常一个原子不同于另一个原子的原因,是它们原子核内的质子数不同。组成氢气的氢原子只有一个质子,是所有原子钟最简单的。组成铁丝或铁块的铁原子却有56个质子。原子有很多种,迄今为止人类发现了百十来种原子,正是他们组成了这个五彩缤纷的大千世界。这也就意味着,就最复杂的原子来说它的质子数会达到一百多个;不同原子具有不同的性质和特点。用一本科普书上的话说,“质子数决定了原子的身份,电子数则决定了原子的性情”。

原子是个体,如果没有办法把原子们结合到一起,它们就只能像沙子一样什么也形成不了,永远都只能是一盘散沙。没有用来把原子们粘在一起的胶水在原子一级的微观世界里是没有胶的。不过,作为也是由原子组成的你,既然能够有机会在这里探讨这个问题,说明大自然早就找到了解决的办法。

奥秘就在于要形成物质,原子们必须依靠公用外层电子的方法来抱成团。在物质里原子们密密麻麻地挤在一起,一个原子会有一个以上的邻居,而它的邻居们也一样拥有别的邻居。当公用发生的时候,每个原子外层的电子会定期到别的原子哪里待一会。由于电子和原子核之间有引力作用,所以当电子在原子之间公用时,电子充当了原子之间的黏合剂。

从大的看得见的宏观层面上来说,物质分为两大类型。第一种类型的物质,它们的共同特点是由同一种原子结合而成;比如金、银、铜、铁、锡、铝和钠等,它们分别由相应的金银铜铁铝锡钠原子组成的。第二种类型的物质,其组成方式较第一种类型复杂,但在生活中更常见包括所有的动植物、食品、纸张、化工原料等;它们都是由氢和氧组成。氢和氧平时是气体,它们分别由氢原子核氧原子组成。特别是氧气我们根本离不开它,为了依靠它活命。但是当氢气和氧气混合起来燃烧的时候,氢原子和氧原子就会通过公用电子形成水。再比喻我们平时吃的盐是由钠和氯组成。

原子之间通过共用电子来形成各种各样的物质;这并不是一件轻而易举的事儿。如果不是这样的话你穿的衣服就会长在皮肤上,形成一种新的更古怪的皮肤,整个世界会慢慢地融合到一起从而彻底变个样子。我们故此也知道原子们的脾气着实古怪。不同类型的原子,其原子最外层的电子数不同,离原子核的远近也不同。正常情况下,电子不会无缘无故从院子里跑出来,因为原子是很稳定的。而且,对于大多数物质来说,除非灾难降临,否则的话电子的共用总是只在相邻的原子之间进行。在这种情况下,电子从一个地方到另一个很远的地方去串门儿是很困难的、这就是我们所说的绝缘体。

 

与绝缘体相反,在导体里,通常用于共用的电子都不太安分经常变动。在经典物理学里,它们的名字就叫自由电子。它们的存在,是导体能够导电的根本原因。换句话说,当你用墙上插座里的电子来推动导体里的自由电子朝着一个方向前进时,“导电”这个过程就发生了。

电流的形成

在金属导体里,当电子们像马路上的汽车一样,朝着同一个方向持续不断地前进时,就形成了所谓的“电流”。电流的速度很快每秒30万千米和光速一样。电子的运动速度能够迅速从电线的一头跳到另一头,不管它有多长
在上物理课的时候我们知道,电子的移动速度其实很慢,每秒移动的距离一般不到1mm,比毛毛虫都慢。但是当导体两端的电子同时开始移动时我们觉得好像电子真的在一瞬间从一头到达了另一头。

 

电流不是自发形成的。一根随随便便扔在墙角的电线,它里面是不会有电流的,要形成电流据我们所知,最简单的方法就是找一节电池、一个小灯泡和一根电线(灯泡的一端连接电池正极,另一端通过电线接负极然后这个灯泡就亮了)。除了这个实验之外我们还知道,所有的电器只有在发电厂开工的时候才能工作;这意味着很上去很像电池或者发电厂会制造电子,而且会源源不断地把造出来的电子送出去,电流就是这样形成的。在灯泡或者其它用电的东西哪里,电子被吃掉、也许是消失了,总之变成了光、热、使轮子旋转的动力等等。

 

很清楚,电子不是凭空产生的,而“发电”也不是劳动人民在制造电子,说到底,是让导体中原有的电子循环流动。有几种方法可以让电子们运动起来形成电流。最常用同时规模也很大的方法是建设大型发电厂,在哪些地方,工程师们想办法借助于水流或者蒸汽的力量来驱赶电子,让他们循环反复地流动,这种方法参与的点子多,电流也很强大。在原子层面上我们知道,这段电线内部的原子是极其大量的、数不清的。当“电泵”开始工作时,它的任务是从电线以边的原子哪里夺走自由电子,并将它们送给电线另一边的原子。而失去电子的原子很着急,而得到电子的原子也不会因为自己的电子多了而高兴,它们都急切地想要找回电子或者扔掉包袱而重新达到稳定状态。这种情况下,用物理学家的话说“电压产生了”。电压是一种吸引力,是由于失去电子和希望重新得到电子而引起的。(电池也是一样不能制造电子它只是把电子从电池的一端搬到另一端而已;并且电是从电池的负极流向正极)

电压

到现在为止,我们已经见识了很多种类型的电源。通常衡量一个电源的重要指标就是它的电压,也就是它产生电的能力。不同的电源所提供的电压也不相同。世界上第一个电池是由意大利人伏特与1800年发明的,后来物理学界就用他的名字作为衡量电压的大小单位,简称“伏”或大写字母V;我们平时所有的电池电压是1.5V可以让手电筒发光,但对人体构不成危害。36V电压称为安全电压如果超过你会觉得手臂发麻。如果电压220V也就是我们家用电电到则会很痛苦。


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