1.5 电路和电路图

前面已经讲了电源、电压和电流，它们的存在给了人类最充分的理由去不断发明各种各样的新型电器，有的甚至让人觉得很可笑，比如“太阳能手电筒”。你别说，这个创意很好，不过据我所知晚上是不会出太阳的。电器的例子不胜枚举，在这里我只想说说电灯泡。

电灯泡的发明用到了电子在导体中流动时的一个特点。前面已经说过，在常规条件下，电子在导体中流动的时候并不是那么顺畅，差不多是在原子的密林中磕磕碰碰。换句话说，导体实际上对它的流动具有阻碍作用。在电学中，影响电子流动的这种特性叫电阻。

电阻的作用是让电子的运动不那么顺畅。它不是导体独有的，通常情况下任何东西都有电阻。一些电阻较小的物质，比如菜刀，被称为导体；而另一些电阻很大很大的物质，比如纸张，被称为绝缘体。在正常情况下，同样长的一段电线，用银来制作的话，电阻是最小的（遗憾的是，银又是最昂贵的物质之一。真令人费解，大自然为什么非要这样安排）。

从能量的角度来看，电子的流动是因为电源赋予了电子能量。“能量”这种说法我们差不多每个人都听说过，但通常也只是停留在意会的层面上，因为谁也看不到它，更无法捉摸，但能量却是无处不在的。你拿起这本书需要能量；当你看书的时候，同样需要能量维持眼球的转动；为了能在运动会上得到一个其实并不能用来喝水的金属杯子，运动员们通常要付出更多的能量。

关于能量的一个很重要、同时也很有意思的特点是，它可以从一个物体传递到另一个物体，也可以从一种形式转化成另一种截然不同的形式。烈日当空、艳阳高照的时候，被太阳晒到的地方就会发热，这说明太阳能转变成了地球表面的热能。在地球表面，不同区域所接收到的太阳能是不一样的，在温差的作用下，风就吹起来了。当大风刮起来的时候，它具有令人恐怖的能量，会将大树吹折、汽车掀翻，这叫做风能。风越大，它具有的能量越多。当它吹过防风林的时候，由于一部分能量会传递给树木，这种能量有可能将树木折断，但更通常的情况是使树木像喝醉了酒一样摇摇摆摆，因为失去了能量，所以风会变小——而这正是林业部门的人所希望的。如果风吹在风力发电机上，还能发出电来。也就是说，风能转变成了电能。

太阳能也可以转变成化学物质贮存在我们所吃的植物里，比如大米和水果蔬菜。这样我们在吃了它们之后才能有力气蹦蹦跳跳、说说笑笑，自由自在地生活在地球上。

总之，用物理学上的说法就是“能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变”。这叫做能量守恒定律，1847年由德国物理学家、生理学家赫尔姆霍茨（1821—1894年）首先提出。不过这并不是说，你可以在不高兴的时候把公司的财务报表给烧了。尽管烧完之后物质总量没有变——只不过化成了等量的灰和气体，但是你再也无法从灰和气体上看到这个季度公司挣了多少钱，就为这个，你的老板决不会原谅你。

通过前面的介绍我们可以看出，能量是无处不在、变化多端的。当电源开始工作的时候，它把自己的能量源源不断地传给电子，迫使它们带着能量——通常也是在能量的作用下——开始流动形成电流。

像大树从风中获得能量而摇摆一样，由于电阻的存在，电子会在电线中释放出它们的一部分能量，使得组成电线的原子比平时格外活跃，以我们人类的视角来看——电线发热了。通常情况下这不是个太大的问题，充其量只是一部分电能白白浪费掉了，而电线上的热量也会很快散发到空气中。但是在另外一些极端的情况下，由于电压太高、电流太大，产生的热量不能及时散发，就会烧红电线，导致火灾。从另一个立场来看，这也是灯泡能够发光的工作原理。

一个灯泡、一段电线和一节电池，这几样东西装配在一起就能工作得很好，这称为电路。不用说，要组成一个电路，有几样东西是必需的：电源、导线和依靠电工作的各种器件。如果不通过用电器直接用电线接通电源的两极，时间长了后果不堪设想，这叫做短路。想想你发明电源的目的是什么？电子像潮水一般涌出来的时候当然是携带了能量的，这些能量要么传递给用电器，要么将电源烧坏、电线烧红——总之，当它们被逼着从电源里怒气冲冲地跑出来时，当然需要一个撒气儿的地方，除非赶快想办法将电路断开。

不同的电路有不同的用途，而为了不同的用途也需要发明不同的电路。为了向别人展示你新发明的电路，你可能得跑到他们面前把这个电路重新连接一遍。这么干是非常不方便的，要想坐在家里就能让别人明白你是怎么干的这活儿，最好是拿一张纸把它画出来，就像前面的图1.1和图1.2那样，画好之后把它拿出来一展示就行了。要是拿到印刷机上一印，嘿，无论再多的人也能同时欣赏。当然，你画得越逼真越好，这样别人才能看得清楚明白。

今天，由于考虑到画实物图很费事，而且有些人在美术方面的能力也着实太糟糕，画什么不像什么，所以大家一致认为必须采用一些简单的符号来代表各种电路器件。一些比较简单的，如电池、灯泡和电线，它们的实物图及符号如图1.3所示。其中，电池的符号是两条线段，其中又细又长的那条代表正极，又粗又短的那条代表负极。要表示一根电线是最简单的，只需要画一根线条就可以了。

有了这些符号之后，再来画图1.1那个电路就很省事儿了（图1.4）。

电路复杂的时候，会经常遇到电线交叉的情况。如果它们并没有接通，就表示成图1.5（a）那样；如果它们是连接在一起的，则表示成图1.5（b）那样。

这里有一个很好的例子说明了电线是如何交叉连接的，如图1.6所示。它表明了如何用一节电池让两只灯泡同时发光。左边是实物图，右边是它的电路图。

电力是我们能得到的最好、最清洁的能源。当你用电的时候，它不会冒着烟、滴着水，或者因为泄漏而中毒，这些情况通常只有在烧煤或者燃油的时候才会出现。不过，电能从来都不曾充足到我们可以随意浪费的地步，更何况我们还得为它付钱。就算你不心疼钱，也不关心人类的前途和国家的命运，你也不能保证电不会危害你。当你触了电，或者因为用电不当发生了火灾，你不能指望通知几千千米之外的发电厂停工，这个时候最明智的做法是就近切断电流。总之，能够随意控制电流的通断是很重要的，而要做到这一点，我们需要另外一样东西——我想你已经知道了，是的，这就是开关。

开关这种东西人人都知道，而且种类繁多，家家都有。所有开关都干一样的活儿，那就是将电路断开或者接通。咱们国家幅员辽阔，同一样东西，在每个地方的叫法可能都不一样。有一种东西，在东北叫“壁火”，但是出了山海关，再壁火壁火地叫这种东西，大家就不知道是什么了。其实说白了，这就是开关。

为了表示一只开关，我们通常使用下面这样的符号（图1.7）。

而要用一只开关来控制两个灯泡的亮灭，它的电路图则应当是如图1.8所示的那样。

电学是一门很有趣的学问，我也很愿意花更多的篇幅来讲这些东西。但是非常遗憾，这是一本讲述计算机奥秘的书，大多数读者正期盼着进入真正的主题，所以我们只能到此为止。就像美国前总统艾森豪威尔所说的那样：“我们已经揍死了这匹马，现在，让我们换一匹吧！”