搞電子這麼多年，你真的認識「電」嗎？
導語
如果讓你說出幾個帶「電」的詞語，你可能會想到閃電、電池、電視、電腦、電話、電冰箱。在這些你看過、聽過、用過的辭彙里，「電」彷彿離我們很近。我們熟悉它，就像熟悉從小一起玩到大的夥伴。「電」徹底地融入了生活，停電的日子就如魚兒跳出了水，花兒離開了土地。人們每時每刻都離不開「電」，甚至有一些自稱「電子愛好者」的人深深地愛上了它。既然這樣，試問身為電子愛好者的你，「電」是什麼？維基百科——這樣解釋：
電是一種自然現象，是一種能量。電是像電子和質子這樣的亞原子粒子之間的產生排斥力和吸引力的一種屬性。
這聽上去又高深又複雜，和我們想像中的「電」相差很遠。科學的定義都是那麼嚴肅認真，從不考慮人們的觀感。但科學能更真實地說明事物的本質，更接近真理。所以我就從科學與感觀、理論與經驗兩個方面聊一聊「電」是什麼。
電的體驗
在什麼情況下，你會說：「哦，這是電」。電是一種能量，一種力。確切的說，咱們無法見到電的樣子，但可以見到電所造成的現象。就好像誰都沒有見過引力，可是人人都被它束縛在地球上。電無處不在，電的現象也司空見慣。在我們的生活中，幾乎每個人都曾看過、聽過和摸過電的現象。五種感受器官都和電的現象有過親密接觸，甚至我們的身體里也流淌著電。現在就請跟我一起回憶被「電」的感受吧。
「
雷電
當提到「電」這個字，我在腦海中最先想到的是閃電，這是我見到的最直觀的「電」，閃電過後的雷聲又讓我聽到了「電」。要知道雷電是很古老的現象了，在地球誕生之初，幾百萬年的時間裡每天都是電閃雷鳴的。正是有了如此長時間的雷電，才改變了大氣環境，使生命得以孕育。雷電是由雲層和雲層、雲層和地面之間的放電所形成的。看似無害的雲是怎麼產生電的呢？科學的解釋是當雲層中積累了大量的水滴和冰晶，在風的作用下相互摩擦。摩擦會在雲中產生靜電，靜電越積越多，當積累到一定量的時候，就會擊穿空氣對地或對其他雲層放電。放電瞬間的能量巨大，以光和熱的形式釋放。光的部分就是我們看到的閃電。熱的部分會加熱周圍的空氣，使空氣迅速膨脹振動，產生了雷聲。雷電是最常見的電的現象，從其原理可知，物質的摩擦可以產生靜電。
瘋狂的雷電
「
人造電
摩擦起電是一項重大發現，但早期的人類還不知道雷電的原理。但他們注意到兩種物體摩擦之後會吸附一些小紙片。後來人們又發現，把絲綢摩擦的玻璃棒和毛皮摩擦的橡膠棒靠在一起時，它們會相互吸引。18世紀的美國科學家本傑明·富蘭克林給出了這一現象的結論，富蘭克林認為，這兩種摩擦所產生的電是不同的，他把絲綢摩擦的玻璃棒所產生的電叫「正電」，把毛皮摩擦的橡膠棒產生的電叫「負電」。1882年，英國科學家維姆胡斯發明了圓盤式靜電感應起電機。他把兩個玻璃圓板安裝在同一軸心上，玻璃圓板上貼有一圈金屬箔片，圓板的兩側各有一組金屬探針。當轉動手柄時，兩片圓板反向高速旋轉。在兩組探針上分別蓄積正電和負電。當電壓（可以理解為電蓄積時產生的壓力）達到一定程度時，就會在與探針連接的兩個放電球之間產生和自然閃電一樣的小閃電，同時伴有「啪啪」的小雷聲。
起電機一經發明，便迅速在歐洲各地流行起來。電成了可以製造的、供人們觀賞的天然藝術品。王宮貴族們把玩起電機，科學家們則繼續研究電的性質。後來出現的馬克思發生器則是用電容層疊的充電而產生的閃電，它能產生更高的電壓，可以製造出更巨大的人造雷電，甚至產生幾十米長的閃電弧光，堪比真正的閃電。起電機雖然可以發電，但它產生的是靜電，是一種不能穩定傳送和使用的電。當真正的發電機出現時，靜電感應起機器就退出了歷史舞台。除了打火機和燃氣灶之外，人造雷電應用不多，但它給出了人造電能的可能性，也讓人類更多的了解了電。這種突破可謂是第二次鑽木取火。
圓盤式靜電感應起電機
馬克思發生器
「
靜電
靜電不只出現在人造雷電上面，日常生活中處處都有靜電。冬季天氣乾燥，每個人都有被靜電電到的體驗。天氣乾燥，空氣中的水分較少，行走時衣服之間相互摩擦產生靜電。當身體靠近接地的金屬物體，就會放電。原理和自然雷電一樣，都是摩擦起電。不經意間被電到，也算是一種對電的觸覺體驗吧。說了這麼多靜電，它除了觀賞之外，有沒有受用之處？當然有，人類總是可以把自然的特性為己所用。靜電除了可以點火，還能當膠水。我剛剛講過靜電有吸附小紙片的特性，這一特性被用於貼膜技術。手機貼膜在出廠前，讓膜在機器里與某種東西摩擦產生靜電。當你給手機貼膜的時候，一般會用貼膜布擦凈玻璃屏幕，其實也有產生靜電的效果。然後再把帶有靜電的膜放上去。膜與玻璃之間的靜電相互吸引，膜就自然粘上去了。
靜電貼膜
防靜電手套和防靜電包裝袋
靜電有益於人類的例子還是有限的，至少觸電的感覺並不美妙。大多數情況下，人們還是想方設法防止靜電。電子產品中的元器件最害怕靜電了，特別是集成電路晶元。只要人體上一點點靜電就可以擊穿元器件的內部電路。再高級的電子產品，只要手一摸就瞬間作廢。為了保護精密的元器件，許多廠商都會在晶元內部加入ESD（靜電釋放功能）的保護電路。即使這樣，生產線上的員工和售後維修的技術人員，在接觸電子產品時都要戴上防靜電手套，有時甚至穿上防靜電的衣服。出廠的電子產品也會使用具有靜電防護功能的包裝袋。聽起來很誇張，但都是必要的。關於靜電的故事還有很多，因為本文主要介紹「更有用的電」，所以對靜電有興趣的朋友請私下搜集資料研究。
「
生物電
「死物」的自然界尚且有電，生物界當然也少不了電。生物界的電，我們最常聽到的就是「腦電波」，也就是人類（也包括其他動物）大腦發出的電波信號。目前科學界已經證實了腦電波的存在，並且可以讀取和控制。另外，還要知道人體內每時每刻都充滿了電。它們隱藏在神經系統里，傳遞著指令，支配著人的行動。人體內的神經系統就像一根根電線組成的網。感受器官接收到的外部刺激，通過電脈衝的方式送入大腦，大腦還會發出電脈衝，刺激肌肉或其他組織的運動。人體內的電信號非常微弱，只有使用精細儀器才能發現。所以我們不會被自己身上的電電到。隨著生物科學的發展，我們會越來越清楚身體里電的奧秘。在未來我們可以把微型電腦嵌入到身體里，讓人類變得更聰明、更智慧。到時，請叫我們「鋼鐵俠」。
「
無線電
在《無線電》雜誌上談無線電，這才真是切入主題。無線電也是一種電磁波，它是由電場和磁場在空間振蕩所產生的（無線電的原理會在後文中詳細介紹）。無線電不需要傳播介質（是以光子為載體），所以在真空中也可傳播。無線電並不是人類的發明。從宇宙誕生的那天起，無線電就一直存在於每一個角落。現在仍然有許多科學家和天文學家正在用射電望遠鏡（一種可以接收太空中無線電波的裝置）收聽「宇宙背景輻射」的動靜。因為這種電波來自於宇宙誕生之時，可以據此探尋宇宙的起源。除了接收「宇宙母親的聲音」，人們還利用無線電發出了自己的聲音。人們樹立起高高的鐵塔、架起天線，向遠方的人們發送電報、廣播、電話和電視影像。我們也隨時使用著無線的手機、藍牙耳機、WIFI網路。無線電波看不見、摸不著，不能直接體驗。但在當今世界，使用無線電產品如影隨行。離開了無線電會像家裡停電一樣痛苦難耐。不過沒關係，有一種叫礦石收音機的裝置，它的工作不需要電源，只需要天線、耳機和一些銅線圈就可以收聽到廣播，停電多久都不怕寂寞了。不用電源的收音機，電能是直接來源於無線電波，原來無線電也是一種電能。說不定未來的某一天，我們都能用上無線供電的電子產品。手機沒電了，在空中舉一會就充滿電了。收音機的故事我就不在這裡班門弄斧了，常看《無線電》的讀者比我懂的多。
在此我只是總結了我們身邊的電，有些是能看到、聽到、摸到的，還有一些是經常用到卻感受不到的。電是造物主的恩賜，它無處不在，取之不盡。可以說，沒有電，就沒有生命，也不會有科技如此發達的現代文明。而目前我們說的電還只是人類用電的冰山一角。我們還沒有跨入「電子學」的殿堂，沒有品味到神奇的原理和巧妙的電路。那麼接下來，就請隨我一起開始深入電的理論世界，探索電以及宇宙萬物的真理吧。
射電望遠鏡和礦石收音機
說完了電的幾種形式
我們來談談到底什麼是「電」？
電的理論
「電」是自然界四種基本相互作用之一。這四種相互作用是「強相互作用」、「弱相互作用」、「引力相互作用」和「電磁相互作用」。目前人類所知世界的所有現象，都可以用這四種相互作用來解釋。也就是說，這四種相互作用是一切物理現象的本源。因此又被稱為「宇宙基本力」。「強相互作用（也叫強核作用力）」和「弱相互作用（也叫弱核作用力）」是原子級別的作用力，你若想轉行學「量子力學」，那就要好好研究一下。「引力相互作用」簡單講就是老百姓常說的「萬有引力」，想減肥的朋友可以學習看看，正是「引力相互作用」害了你們。最後一種「電磁相互作用」才是與「電」有關的部分。
原子結構示意圖
「電磁相互作用」就是人們常說的「電磁力」，這個力出現在「原子核」和圍繞原子核運動的「電子」上，保持著原子核和電子的結構穩定，不會分離。「原子核」上帶有正電，「電子」上帶有負電。「原子核」又是由「質子」和「中子」組成的，其中「中子」不帶電，「質子」帶正電。有朋友會問了，為什麼質子和電子上會帶電呢？這個問題比較複雜，有興趣的朋友請看一下專業著作。我們所知的物質中，正電生活在質子上，負電居住在電子上。不過科學家們最近發現了一種「反物質」，它們是電子帶正電荷，而質子帶負電荷。反物質非常罕見，即使出現也會在很短的時間內和物理結合，在一道白光中消失。
好了，現在有了帶正電的質子和帶負電的電子。是不是說在質子和電子之間放一個燈泡，燈就會亮起來呢。哦，不行。即使發明出如此小的燈泡，也不會得到想到的效果。我們所用到的點亮燈泡的電，並不是靠分離質子和電子得來的。要知道分離它們需要施加巨大能量使之成為等離子狀態。然後用強磁場吸引分離出電子，餘下的帶正電的部分就會被拋射出去，形成推動力。好萊塢科幻大片中太空飛船上所用的「離子引擎」就是利用了這一原理。以上這些聽上去很刺激，但與我們要聊的電不是一回事。真正與「我們的電」有關的是物質的另一個特性——導電性。說到導電性，你也許會想到中學物理課上講到的導體和絕緣體。沒錯，導電性指的就是這個。大家都知道金、銀、銅、鐵這樣的金屬是可以通過電流的導體，它們的導電性能好。而塑料、玻璃、橡膠等都是絕緣體，它們的導電性能差。那到底是什麼決定了材料的導電性呢？想了解這一點，必須再次回到原子層面的微觀世界。雖然肉眼看不到，也買不起昂貴的電子顯微鏡，但我們可以閉上雙眼，用想像力構建一個原子的世界。（看來應該把想像力定為第五種宇宙基本力，呵呵。）
前面咱們分析了單個原子的結構，核內質子帶正電的總和正好與外圍電子帶的負電達到平衡。但眾所周知，物體是由無數個單一原子擠在一起，組合而成的。當同一種類的原子（如銅原子）擠在一起的時候，兩個相鄰原子之間就會共用一部分電子，這種狀態被稱為「共價鍵」。假設某種原子有5個電子，這5個電子的負電荷量正好可以和質子上的正電荷量達到平衡。當它與另一個原子擠在一起時，有2個電子被這兩個原子核共同使用了。也就是說每個原子核周圍還是5個電子，仍然保持電荷量平衡。有2個電子共用，也就是2個電子被擠了出去。它們逃脫了原子核的束縛，成了可以自由行動的電子，因此得名「自由電子」。以上這個假設只為便於大家理解共價鍵，實際上核外電子的數量多如牛毛。當N多個原子擠在一起時，可見自由電子的數量那是相當之多呀。
共價鍵原理示意圖
導體結構
不同材質的共價鍵，所產生的自由電子的數量也不同。像金、銀、銅、鐵這樣的金屬，會產生很多自由電子。像塑料、玻璃、橡膠則只會產生很少的自由電子。看到這裡，你是不是悟到了些什麼。金屬之類的導體上有很多自由電子，絕緣體上則很少。自由電子數量的多少，是不是決定物體是導體還是絕緣體的根本原因呢？沒有錯，事實正是如此。自由電子才是傳導電流的載體，就像水是傳導水流的載體一樣。自由電子在擁擠的原子之間無處容身，於是都被擠到了物體的外表面上。導體本身就像是寬闊的河床，浮在導體表面的自由電子就像河水一樣在河床上流淌。正因為自由電子在導體表面流動，才形成了電流。有了電流才能點亮燈泡，才會有形形色色的用電器和高科技電子產品。從此，我們擺脫了原子級別的微觀世界，擺脫了量子力學和其他物理學定規，以物理學、化學、數學和材料科學為基石，建立起專屬於電子愛好者的新學科——電子學。電的故事就由此開始了。
…………………………………………………
無線電雜誌
微信號：radiomagazine
※創客遇上花花草草，居然會發生這麼多有趣的事情！
※80年前出現在卓別林黑白默片里的創意，如今變成了智能硬體！
※Excuse me？半機械半生物的機器人真的出現了！
※廢舊電子元件還能做什麼？——瑰麗的昆蟲世界
※電子管終極奧義大揭秘！
TAG:無線電 |
※說出來你可能不信，這才是一隻真正的「電子狗」！
※這就是我為什麼不買電子煙的原因
※圖看電子廠里的打工妹：阿丹，這幾年過的還好嗎？你在哪？
※電子煙的真相您真的清楚嗎？
※電子煙真的可以幫助戒煙嗎？電子煙的危害就真的小了嗎？
※除了電子遊戲，孩子們還能玩什麼？
※她帶孩子到沒有電子產品的鄉下，原來這才是真正的童年時光
※電子廠的女生為何容易上鉤，真的是為了愛情？
※別讓你的孩子玩電子產品了，因為……
※沒有電子遊戲的年代裡，這些「娃娃皇帝」 小時候都玩些什麼呢？
※卡西歐一隻破電子錶有什麼能耐，賣了幾十年還這麼火？
※怎麼樣讓寶寶遠離電子產品，不讓童年裡只有電子產品？
※電子遊戲有毒？真正厲害的父母這樣做
※還記得「電子寵物」嗎？過了這麼多年它竟然進化成了一顆蛋！
※電子遊戲，想說愛你不容易？
※我對電子產品維修還是有一套的，這個技巧源自十歲的時候修家裡的電視，就是使勁拍……
※手機,電腦,那些我們淘汰的電子垃圾去哪了?在這裡堆積如山!
※電子煙的真相！它真的不會危害健康嗎？
※對孩子來說，玩多少電子遊戲是「太多」？