电看起来很神秘。在现代电子世界中有很多复杂的东西需要学习。那些学习电气工程的人会告诉你这是多么具有挑战性。要成为这一领域的专家，需要多年的学习、数学的严谨、组件行为的掌握、解决问题的能力，以及阅读图表的能力。

专业电工花费数年时间学习如何在家庭和企业中安全地使用电力，满足复杂的安全守则，并遵循一个多世纪积累的智慧。这个主题本身也很容易理解，因为以前神秘的事物开始变得有意义了。

水的比喻

最重要的想法是：电线里的电就像水管里的水一样。电流的载体，即电子，可以很容易地穿过金属，就像水分子穿过管道一样。我们说金属是导电体。

其他物质如塑料、玻璃和空气的作用类似于管道的内壁：它们阻挡电子。我们称这些物质为绝缘体。在你家里的正常情况下，电线外面的空气是通不了电的。(闪电确实涉及电流通过空气，但这是一个极端的情况。。)

你必须运用你的想象力，假装空气是一个坚固的屏障，而这个坚固的金属就像一个空的空间，电子很容易通过。一旦你超越了这个违反直觉的真理，剩下的部分就会变得有意义。

电子之间互相排斥得很厉害。把电子压缩在一起几乎是不可能的。这意味着只有当电子朝同一方向运动时，才能形成电流。如果你迫使电子进入导线的一端，那么同样数量的电子将不得不从另一端出来以腾出空间。

这种通过导体的电子流叫做电流。电流以安培计量。如果你想象电流像水一样在管道中流动，那么安培数就是升每分钟：它们告诉你水流有多快。

电压

电的另一个基本概念是电压。在涉及水的系统中，压力表示某物对水的推力有多大。水压的单位是牛顿每平方米，电压力的单位是伏特。

如果你曾经在水下待过，你就会知道潜得越深，耳膜承受的压力就越大。如果你一直走到游泳池底部，它们可能会受伤。这是因为随着深度的增加，你的上方有更多的水的重量，向内压在你身体的每一个表面。

水塔利用这一事实来产生巨大的压力，将水输送到接近地面的地方。塔内水柱越高，塔底的压力越大。同样得，像电池或发电机这样的设备在导体中产生电压。就像你可以通过增加水柱的高度来制造更多的压力，你也可以通过串联电池来制造更多的电压。

举个例子，这是一张测量普通AA电池电压的照片。

这种AA电池可以产生1.伏特的压力请注意，即使AA电池被标记为提供1.5伏特，这种电池的测量电压是1.伏特。使用电池的时间越长，电压就越低，直到它的强度不足以为设备供电。

现在看看当我把一节AA电池的正极与另一节电池的负极接触时，会发生什么，并测量它们的电压：

两个AA电池串联产生3.伏特这两个串联的电池产生两倍的电压，即3.伏特。但是你必须把它们以正确的方式连接起来，这样两个电池就可以互相帮助把电子推向同一个方向！如果你不这样做，会发生以下情况：

电池之间相互作用产生1.9mV=0.伏特。看出不同了吗？这一次两个正极连接起来，组合电压为1.9毫伏(mV)=0.伏，非常接近于零。这些电池互相排斥。

电阻

我上面提到过，金属可以让电子很容易地通过它们，但是空气阻止电子通过它。事实证明，对于一种物质是导体还是绝缘体，没有绝对答案。有些东西，如水、石墨和人体，就导电的难易程度而言，介于空气和金属之间。

把电子推过一个物体的困难度叫做这个物体的电阻。电阻的单位是欧姆。如果你对一个物体施加1伏的压力，它会使1安培的电流流过，这个物体的电阻是1欧姆。

但是如果另一个物体需要10伏特的电压才能让1安培的电流通过，那么第二个物体的电阻就是10欧姆——它的电阻比较大，因为要让同样的电流通过比较困难。

以欧姆计的电阻是用施加的伏特除以它引起流动的安培数来计算的。换一种说法，电压等于电流乘以电阻。良导体的电阻很低，绝缘体的电阻很高(数十亿欧姆)。

功率和能量

在日常用语中，“功率”和“能量”或多或少是同义词。但在更精确的物理学语言中，它们有不同的含义。

能量代表了可以做的大量的物理工作。例如，把40磅的食品杂货搬上三层楼梯需要一定的能量。能量的另一个例子是当你想加热东西的时候。把一杯水从室温加热到沸点需要一定的能量。

能量是用焦耳来测量的。要感受一下这个能量单位，需要焦耳才能把35斤重的东西搬到第三层楼，而要把毫升的水烧开，则需要焦耳。功率是单位时间内的能量。它代表你传递或使用能量的速度。

为了区别更清楚，能量和功率之间的区别就像距离和速度之间的区别一样。功率是能量除以时间，就像速度是距离除以时间一样。一架飞机和一辆自行车都可以飞行10英里，但是飞机以英里每小时的速度飞到那里，比自行车以15英里每小时的速度飞到那里要快得多。

功率是用瓦特来计量的。瓦特的定义是一焦耳每秒。举个例子，如果微波炉能在2分钟内烧开那杯水，它至少需要焦耳除以秒=瓦特。

有关电压、电流和功率

既然我们已经涵盖了理解电所需要的所有基本单位，事情就变得更有趣了。让我们来谈谈电压、电流和功率之间的关系。举个例子，你可能会问，如果微波炉消耗了瓦的功率，那么流过微波炉的电流是多少?

结果是一个简单的关系：在任何电子设备中，无论多么简单或复杂，电压(伏特)乘以电流(安培)等于功率(瓦特)。中国的一个家用插座提供伏电压。已知伏特乘以未知电流等于瓦，我们可以用瓦除以伏特得出电流大约是4.5安培。

让我们进一步来看这个例子。现在我们知道微波炉从插座接收4.5安培的电流，我们可能想知道在同一电路中我们可以同时运行多少个这样的微波炉。

为了解决这个问题，我们还需要知道保护电路的断路器。如果你打开你的开关盒，你会看到很多这样的开关:

断路器有助于保护您的家庭和电器。每个开关上都有一个数字，如上图中的15、20或30。这个数字是每个电路能够安全处理的最大电流，单位是安培。如果所有插入该电路的设备所使用的总电流远远超过额定电流，断路器将“跳闸”，或自动断开电压。

如果发生这种情况，您将看到开关移动到中间位置，位于“ON”和“OFF”之间。这将切断所有电路的电力，以保护你的家不受火灾的影响，以防你的家的线路出了问题，或者你的电器有危险的故障。

假设这个电路有一个20安培的断路器保护。然后你可以同时安全地操作4个微波炉(4乘以4.5安培=18安培)，但5个可能会导致断路器跳闸(22.5安培)。

电费

假设住宅用电的典型价格是每千瓦时0.7元。

但是什么是千瓦时呢？听起来像功率，而不是能量。是的，1千瓦是功率单位，但是千瓦时是你运行一个千瓦设备一小时所消耗的能量。另一种理解方法是：1千瓦时等于瓦乘以秒(1小时)，也就是万焦耳。

现在您可以估计运行一个给定设备的成本。对于像微波炉或冰箱这样的大型电器，通常在背后有一个标签，告诉你设备使用了多少电流(安培)，或者它使用了多少功率(瓦特)，或者两者兼而有之。如果它只告诉你安培数，你可以乘以伏特得到瓦特数。

一旦你知道了这个设备使用的瓦特数，除以得到千瓦，然后乘以你要运行这个设备的小时数。这个公式计算出总能源使用量(千瓦时)。将能源使用量乘以本地使用成本，得到运行设备的成本。假设有一个瓦的微波炉，你每运行一个小时就要花费0.7元。

闪电

之前我说空气是绝缘体。还记得我说过绝缘体就像管道的内壁吗？每根管子都有极限。如果生活在一个足够寒冷的气候中，你可能一生中至少遇到过一次冰冻的管道。水管里的水结冰时会膨胀。如果水无处可逃，这种膨胀就会产生巨大的压力，导致管道破裂。

同样的事情也会发生在空气这样的绝缘体上。在雷暴中，数百万伏特的压力会在平流层和地面之间积聚起来。当大气和地面之间的电压足够强时，它就能把电子从大气中的氮和氧分子上扯下来，使它们开始飞行。

这些飞行的电子也能撞击其他气体分子中的电子并将它们撞飞。在几微秒内，大量电子高速通过天空和地面之间的弯曲路径，将空气加热成高导电性的等离子体。

白热的电弧突然间有大量的自由电子高速飞行，因此在闪电存在的短暂时间内导电效果很好。这允许更多的电流流动。一个巨大的电流浪涌迅速地消散了累积的电压。一旦电压力被释放，电流就会停止，空气迅速冷却，它就会重新成为绝缘体。

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