電，到底是什麼？

今天我们看似习以为常的用电自由 背后其实藏着一段关于科学突破 商业博弈和时代变革的故事 这一切都要从一场 电压与频率的标准之战说起 话说在20世纪初 英国当时的电力供应非常的分散 缺乏统一的标准 什么意思呢 咱们举个例子 1920年的时候

仅仅在伦敦 就有超过50种不同的供电系统 使用了24种不同的电压 和10种不同的频率 这就意味着 如果你在不同的城市之间搬家 甚至 就是在同一座城市的不同区域搬家 家里的电器可能就直接废了 用不了了 你只能重新买新的 这种分散低效 又非常不可靠的供电方式 给经济和我们日常的运营

带来了非常大的压力 不仅阻碍了工业的发展 也让所有普通人用电变得非常不方便 当时的人们意识到 碎片化的系统带来的这么多的限制 英国政府就坐不住了 这样不行 所以呢 他们在1925年委托了一个实业家 叫做威尔勋爵 专门让他来解决 英国电力供应行业效率低下 分散的问题 最终经过一系列的努力 在隔年1926年

推出了一个叫做电力供应法案 明确提出 咱们要建立一个国家电网的供电系统 根据这项法案 英国当时的中央电力委员会 就应运而生 随后呢又建立了英国第一个 全国范围内同步运行的交流电网 统一采用了132千V 五十赫兹的标准电压和频率 这种标准化 不仅保证了全国各地所有人

都可以用同样的电 也非常大的提升了电力传输的效率 到了1938年 这个电网已经作为国家系统 全面投入运行了 而与此同时 电力的用户量也迅速的增长 从1920年的75万 直接飙升到了1938年的900万用户 这里我们就看到电的标准化使用 它需要关键的立法干预

通过法律来强制标准化 并且建立一个中央的机构 来统一监督电网的创建 后来到了1949年 英国电力局决定 升级到了275千V的线路 这个系统 就是为了满足1970年 预计的3万兆瓦的需求 后来再到1965年 又造了一个超级电网 部分线路升级到了400千V 以适应不断增长的需求 并且减少损耗

好 刚才咱们就念了一段历史的报道 那到这呢 我们要暂停一下 你有没有觉得好像不太能听懂呢 为什么早期英国电网标准没有统一 使用不同的电压和频率 会给人们的生活带来不便呢 哎 我们现在好像不管是用电脑用洗衣机 还是给手机耳机充电 都不需要考虑这些问题 那插上电不就能用吗 换句话说 如果当时英国人

他就是不管三七二十一 把电源一插 哎 不符合电压的要求 会发生啥事呢 咱们直接说结果 要么电压太高 电器会被烧掉 要么电压太低 电器会无法启动 哎说到这 要是按照咱们小时候 问大人的那个规则 差不多也给你答案了 但别忘了 我们今天的约定是 不满足于阶段性的答案 我们要一直往下追问

那我们就先来问 为什么电压太高 电器会被烧掉呢 为什么电压太低 电器就无法启动呢 如果到这你开始不满足于表面的答案 非要像我一样的刨根问底 那我们这趟要把电到底是什么 搞清楚的旅程 就算是正式启程了 要解答这个问题 我们得搬出三个关于电的 最基础的概念 一个叫做电压 一个叫做电流

另一个叫做电阻 别害怕 这三个东西虽然都是看不见摸不到的 但是为了帮助你理解呢 咱们可以用水流来打一个比方 等你理解了之后 我们后面再卸磨杀驴 说清楚 这个电和水其实是完全不同的东西 先说这个电压 它的英文字母是u 我们可以类比为水压 它是推动电荷流动的力量 单位是V特 有的时候我们说千V

那就是1千V特 电流呢我们可以类比成水流的速度 它是单位时间内流过的电荷的数量 单位是安培 这个电荷数量是啥 你先暂时不用考虑 我们后面再说 你暂时就把它想象成水流量 也就是单位时间流过的水分子的数量 这个电流的英文字母是用i来代表 最后就是这个电阻 英文字母是r

类比水管的粗细或者是阻力 它是电器内部对电流的阻碍的作用 单位是欧姆 好这三个概念说完了 我们抛一个公式 听不懂也没关系 这三者的关系是由欧姆定律决定的 那欧姆定律当然就是由欧姆发现的了 这个公式很简单 电流i等于电压u除以电阻r 重复一遍

电流等于电压除以电阻 非常简单 那你想象一下 因为电阻是分母嘛 它越大你可以想象就是 水管的摩擦力特别大 或者说水管里有很多的脏东西 那在同样的水压之下 阻力越大 这个水流也就是我们说的电流 这个水流就越小 那这个电压呢 它是分子 同样的电阻下 电压越大 对应的电流也就越大

就是这么个道理 那对于大多数电器来说呢 这个电阻的r是固定的 比如说灯泡的灯丝 电机的线圈等等 这些出厂时候就确定了 也就是说 对于我们常见的电气设备 电流和电压就是成正比的 而真正烧毁电器的不是电压 而是电流 好那问题又来了 为啥电流能烧毁电器呢 因为

电流除了驱动我们的电器正常工作 它还一定会产生热量 而它产生多少热量 是由一个叫做 焦耳定律的物理公式决定的 当然就是焦耳发现的了 焦耳定律的公式是这样的 热量Q等于电流的平方乘以电阻 乘以时间 也就是说热量和电流的平方成正比 电流增大一点点 热量就会急剧的增加

而你像灯丝或者电器内部的导线 元件它们承受的热量是有限的 比如说灯丝的熔点是固定的 如果热量突然增加太多 就有可能让它融化烧坏 甚至可能引发火灾 好那到这我们就明白 再来说说为什么电压不足 有的设备它就启动不了 有很多电器里面 它都有机械的结构 比如说洗衣机里面 得有个电动机

电动机的复杂原理咱们不用理解 总之呢 得有一个什么东西被电流给驱动 让它能转动起来 对吧而电动机的核心 是靠电流产生磁场而带动转子转动 它需要足够的扭距 你就想你得有足够的力气 才能转动方向盘是一样的 那扭距的大小就和电压密切相关 电压过低的时候 磁场就会变弱 扭距不足

转子转不起来 比如说空调压缩机启动的时候 电压太低 就会嗡嗡响 但是不转还没完 更危险的是 当这个转子它不转的时候 电动机的电阻会急剧下降 刚才咱们说了 电流等于电压除以电阻 那电阻急剧下降 就会导致电流急剧上升 导致线圈过热烧毁 你可能又问了 那有的电器它不是靠电机

比如说我的笔记本电脑 为啥它电压过低也不行呢 这是因为电气设备内部的芯片 还有电路等等元件 它们对电压的稳定性和数值精度 有严格的要求 电压不足 就会破坏电路 正常的传递信号和能量供给 电子设备它不是一个转子 而是靠一整套电路上各种小零件 共同工作的 我们可以再打个比方

电路呢就像一个精密的流水线 每个元件 比如说芯片电容电阻 都像流水线上的工人 它们必须都在特定的电压条件下 才能完成自己的工作 电压不够 整个流水线就会停工 你像电脑手机路由器等等电子设备 它们内部最核心的部件都是芯片嘛 比如说CPU 显卡内存这些都是芯片 而芯片的工作

依赖于半导体开关的通和断 你可以理解成 无数个极其微小的电子阀门 这些阀门的开关状态 决定了数据的计算和数据的传递 比如说开代表1关代表0 那就构成了一个二进制的信息嘛 这些电子阀门就像一扇一扇的门 他们要足够的电压推力才能被打开 而设备里所有计算

都依赖于稳定的0和1传输的 这些二进制的信息 这些电子阀门的开关 需要精确的电压驱动 比如说常见的电脑CPU 工作电压可能只有1.2V左右 而咱们的电源一般是220V的 它不能直接给CPU供电 得用一个变压器 就是咱们电脑电源上那个大黑家伙 这里咱们先压一个V笔 变压器这个东西

到底是怎么把220V的电压 变成电器能用的低压呢 它是怎么工作的呢 如果你好奇的话 得听到后面 我们还有两个重要的 原理还搞懂了才能知道 变压器的原理 我们晚一点再回来 先说电器为什么要有稳定的电压 芯片是这样工作的 当电压正常工作的时候 比如说输入220V的市电 经过转换

稳定输出了19V给笔记本电脑 再分给各个部件 比如说一块芯片需要1.2V 这个电压的推力 刚好让阀门顺利的开关 又不会烧掉它 0和1的信号清晰的传递 这个芯片就能正常的计算了 而电压不足的时候 电源的模块可能就会转换失败 没有办法输出稳定的电压 比如说原本应该输出19V 结果只输出了12V

那这个芯片就得不到足够的能量 再分给里面的小阀门 而每一个小阀门的推力就不够 阀门可能打不开 或者是开关彻底的成一个混乱的状态 那里面所有的传输的信号 就是错乱的嘛 本来是 001 结果传输成了 000 电脑在宏观上就会表现为无法开机 或者黑屏或者死机等等 好到这你知道

本质上所有的电器都是电压的产物 无论是机械运动还是电子信号 都需要电压提供的能量或者是驱动力 而且这个驱动力 必须在设备设计的范围内 太高太低都会打破平衡 这也是为什么电子设备的电源适配器 就是那个大黑家伙上 都会标注输入电压的范围 比如说100-240V 超出范围就可能无法工作

甚至会损坏 那说到这 你好像理解了电压为什么要稳定 那我顺便补充一个知识给你 你看咱们买手机喜欢买快充的对吧 不过光是手机快充还不行 你还得买个快充头 久而久之呢 可能你家里的充电头就都是快充的了 那你有没有发现 快充头给不支持快充的手机 也是能充电的 它只是不快而已

而你偶尔买一个很老的小东西 比如说老款的刮胡刀 小夜灯之类的 你把它们插在这个快充头上 是充不进去电的 甚至还可能会发烫 这时候你去问卖家 卖家就都会说 你换个普通的充电头就好了 你看多数的时候 我们不需要考虑设备是不是支持快充 但是对于少数的设备呢 我们反倒是很不习惯 那大不了不能快充 你就充慢点呗

那咋还不能充呢 那这里所谓的快充 本质上就是通过提高电压或者电流 让设备在短时间内获得更多的电能 但这对电器来说是一把双刃剑 需要设备具有一定的抗压能力 这个抗压就是指抗电压 而很多电器不具备这样的设计 你要知道 快充不是简单的加大电压电流就完了 而是需要充电器

和设备之间的协议沟通 比如说手机快充的时候 充电器会先和手机商量一下 我这边能提高电压 你能接得住吗 手机同意之后才会启动快充 支持快充的设备 内部是有专门的快充芯片的 它能识别这个快充协议 同时呢有更耐高功率的元件 比如说加粗的导线 散热更好的电池等等

这样它就可以安全的处理大电流和高电压 手机等等快充设备的电池呢 也是特制的 比如说用更高密度的电极材料 加入散热层等等 这样一系列的设计就会配合充电电路 控制电流的大小 这样我们才能在安全的范围内 把电压提上去 而不支持快充的设备 比如说老的手机 它们内部的电路 是按照低功率标准设计的

它们没有这个快充协议芯片 也没有强化散热和耐流的元件 如果强制用高功率快充头呢 可能会导致电路的过载元件烧毁 那为什么有的老款手机 虽然它不支持快充 但是呢 我们就是用快充头充电也能充呢 只是充的慢一点呢 这里的功劳不在手机 核心原因是快充头它会自动的妥协

降到老手机能接受的标准速度 而不是强行的输出高功率 这背后 是充电器电路兼容性设计在起作用 快充头不是只能输出高电压和大电流 它本质上是一个多档位的电源 它会先按照最安全的通用标准 输出电力 所有的充电器 都遵循一个最基础的协议 就是默认输出5V的电压

比如说你的快充头支持10V4安的快充 但是插在老手机的时候 它会先试探一下哎 对方不支持快充协议 那我就按照最基础的5V输出吧 于是就可以安全充电了 这个本质上是因为老手机是老产品吗 快充头是新产品 它新产品为了兼容老产品 做出的这样一种很聪明的设计 而支持快充的手机

会通过内部芯片向充电器发送信号 哎我支持某某快充协议 可以接受多大多大的电压 充电器收到信号之后 才会切换到那个高功率的档位 所以你看快充头 它是经过精心设计的 它相当于一个既能出高压电 也能出普通电压的电 这样一个充电设备 只要我们的设备 不发出允许高功率的信号

它就始终输出最安全的5V的低压 那你可能又要问了 那为什么有的小电器 用快充头就完全充不进去呢 核心原因在于 快充头的妥协是有前提的 需要设备先告诉他我需要电 而某些小的电器 他甚至没有办法完成 这个最简单的沟通 普通的充电器 就是那种非快充的充电器 它的设计很简单

只要插上设备就直接输出5V的电压 不管设备是什么 但是快充头呢 它为了安全 增加了一个检测的机制 它会先发出一个微小的探测信号 比如说只有几毫安的电流 只有当设备回应了这个信号 比如说在设备内部电路形成回路 让电流能流起来 快充头才会确认有设备接入 然后输出最低的那个5V的电压 而有的小电器

比如说很老的低端的蓝牙耳机 廉价的电子玩具 旧款的电子表的那个充电仓等等 它们的电路非常的简单 甚至都没有激活回路的设计 那充电头没有收到这样的回应 它就会认为我没有接设备 所以它就会处于休眠的状态 不输出任何电压 那当然也就充不进去电了 我把这整个故事讲给你 就是希望你知道 我们今天能无感用电

其实背后都是很多标准约定 和隐形的设计在帮我们兜底 这背后其实真的是有 长期的博弈和妥协的结果 那我们聊到这 你应该对 为什么当时英国的电压标准不统一 导致搬家需要重新买电器了解了 哎可能你忘了 我们前面还说电网除了电压要统一 还有一个叫频率的东西也要统一

那这个频率又是什么呢 频率这个物理量不是电专属的 它很好理解 就是指任何周期性现象 重复发生的速率 频率的单位是赫兹 一个钟每秒摆动一次 那频率就是一赫兹 那电的频率是什么意思呢 比如说 中国家用交流电的频率是五十赫兹 意味着电流方向每秒变化50次

哎这个电流为啥会改变方向呢 这就要聊到直流电和交流电了 我们日常使用的设备 只要是用电池的 就都是直流电 家里的那种电源呢 是交流电 国家电网里传输的也是交流电 要搞清楚直流电和交流电的区别 我们还要从两个大牛 一段相爱相杀的故事聊起 话说在1879年

大名鼎鼎的发明家托马斯爱迪生 发明了白炽灯 实际上严谨一点说 在他之前还有很多人独立的发明了电灯 但是都没有什么建树 这里边最重要的原因之一 就是只有爱迪生想到 光是有电灯是没用的 要让电灯普及到千家万户 必须建立一套完整的电力传输系统 于是在1882年

他在纽约建成了世界首个商业发电厂 叫做珍珠街电站 这个珍珠街电站 通过直流电为周边街区供电 那直流电 其实是咱们能想象 最符合直觉的电流 就是电从一个地方流到另一个地方嘛 如果你不多了解的话 想象中应该所有的电都是这样的 对吧爱迪生当然也是这么想的 而且在他看来 主要用电池的直流电

它更安全 不过直流电呢 有一个致命的缺陷 就是传输距离特别的短 超过一公里之后 电能损耗就会变得相当严重 这就意味着 每个街区都要单独的建发电厂 而不能在一个地方建一个大发电厂 再把电运到全国 这个成本就特别的高 接着就有请我们的第二位 尼古拉斯特斯拉 就是现在我们那个特斯 拉汽车致敬的那个特斯拉

他是塞尔维亚裔的科学家 从小的时候就对电非常的痴迷 爱迪生呢 也是他的偶像 但是特斯拉和爱迪生 完全不是一样的路数 爱迪生呢 他是个发明家 也是个实干家 但其实他不怎么懂理论 主要就是靠一个莽 靠一个勤奋 就是暴力穷举法不停的试 发明电灯的过程中 他试了大概 7000 多种灯丝的材料 但他就是不从理论上研究

为什么有的灯丝寿命更长 而特斯拉他是个理论家 他喜欢从根本原理上研究物理现象 他发现直流电的这个缺陷之后呢 就提出了交流电 所谓交流电呢 就是电流的方向周期性变化 这样一个解决方案 交流电带来最大的好处呢 就是可以用变压器提高电压 而远距离传输高压电的损耗会变少

这样传输到每个家庭 再用变压器把电压降成低压电 这样就能从根本上解决 电力传输的问题了 1884年 特斯拉带着自己的交流电专利和构想 来到了美国 一到了就直接投奔了偶像爱迪生 爱迪生当时呢 正为直流电的传输问题头疼 于是呢就雇佣了特斯拉 还给他许下一个承诺 如果你能改进直流发电机 直接奖励5万美元

这个大概相当于现在的150万美元了 特斯拉入职之后 很快就改进了直流发电机 但是当他向爱迪生索要奖金的时候 爱迪生却说哎呀 特斯拉你不懂美式幽默 我呢只是开个玩笑而已 更关键的是 特斯拉多次建议爱迪生 不要搞直流电了 要转向交流电 却被固执的爱迪生拒绝 他认为交流电危险不可控 而且会威胁自己的直流电帝国

那至此两人的矛盾就彻底爆发了 爱迪生推崇经验主义 通过试错搞发明 而特斯拉信奉理论先行 用数学来推导设计 爱迪生视交流电为敌人 特斯拉则坚信它是未来 于是在1885年 特斯拉愤然离职 两个人从师徒变成了对手 离职之后的特斯拉一度是穷困潦倒

直到1887年遇到了一个美国的企业家 叫做乔治威斯汀豪斯 这个乔治 当时已经是爱迪生的商业对手了 他也知道交流电的潜力 马上就买下了特斯拉的交流电专利 并且邀请他一起开发交流电的系统 又过了几年 特斯拉发明了感应电动机 解决了交流电的应用难题 这个是交流电的核心设备 咱们先大概说一下 它的基本原理是

用旋转的磁场拽着转子转 而要产生旋转的磁场 电流的方向就必须是周期性变化的 那和它相比 直流电动机就有很多缺点了 比如说容易出故障 摩擦力带来的磨损情况也很严重 成本也更高 那到1891年 他们成功实现了16公里的交流电传输 这是彻底找到了一个 交流电比直流电的大优势 接下来

就是一段不怎么光彩的商业竞争了 面对交流电的威胁 爱迪生启动了疯狂的反交流电公关战 堪称是不择手段 比如说他公开演示交流电的危险性 用交流电电死流浪狗流浪猫 甚至在1890年纵容纽约州用通了 交流电的电椅来执行死刑 这样在概念上 就把交流电和死亡绑定在一起

他还利用自己的影响力 游说政府和企业拒绝使用交流电 甚至威胁供应商说 你要是和威斯汀豪斯合作 我就断你的直流电设备供应 爱迪生之所以这么干 其实很大程度上 是因为 他已经在现有的直流电基础设施 和专利上投入了巨额的资金 所以这场战争 它的本质 是市场份额和控制权 但是这些竞争手段

总的来说还只能算是剑走偏锋 真到了商业竞争里 还是得看成本和效率 在1893年 美国举办了芝加哥世界博览会 打算展示一个叫做未来电力的概念 同年 还招标建设尼亚加拉大瀑布水电站 这个是当时最大的电力项目 爱迪生团队竞标的时候 当然是坚持用直流电了 他还是声称交流电不稳定 但是按照他的方案

瀑布到水牛城需要建10座发电厂 这个成本就是交流电的10倍 而特斯拉这个团队 则提出用交流电的方案 承诺只要建一座电厂 就能一次输电到位 成本非常的低 那不用说了 最终博览会和尼亚加拉项目 都选择了交流电 在整个博览会上 特斯拉的交流电系统 点亮了数万盏电灯 惊艳了世界

后来到了1896年 尼亚加拉水电站建成 交流电成功传输了 35 公里 彻底证明了它巨大的优越性 在这些项目之后 交流电迅速的取代了直流电 成为了全球电力传输的标准 原因很简单 它解决了远距离低成本输电的核心需求 也就支撑了现代电网的诞生 之后爱迪生的直流电帝国逐渐的崩塌

他的公司后来和对手合并 成为了通用电气 最终也放弃了直流电 转向交流电 好我们刚才又讲了一段故事 听故事的过程中 你有没有感到好奇呢 为啥呢为啥交流电的运输成本 就是比直流电低那么多呢 哎我们又要进入科普阶段了 真正影响电力传输距离的 其实不是直流或者交流的区别

而是电压大小的区别 我们说送电送电 实际上传送的东西是能量 你知道能量的传输 大多数情况下都是会被损耗的 比如说我和你两个人站在路中央 我从这头往你那头推出去一辆小车 因为路面的摩擦力 这个小车到你那的时候 它携带的能量 肯定比我推出去的时候低了对吧 电能在传输过程中也会损耗

这个损耗主要就来自于电线 准确的说是来自于电线会发热 这个损耗的多少也有一个公式 这个公式我们前面讲过 和电器发热用的是一个公式 Q在这里就是损耗的热量 I是电流 R是电阻 t是时间 也就是说 只要导线的材质和长度是固定的 电阻就是固定的 那么 影响单位时间内能量损耗的唯一变量

就是这个电流 电流越大 损耗越大 所以呢我们要用更低的电流来送电 而发电站供应的能量 也就是发电的总功率它是不变的 比如说一个 发电站每小时发电1,000度 而功率电压电流还有一个关系 就是功率p=u×I 这个u是电压I是电流 在这我们说公式说的很快

其实你完全不用记这些公式 你只要听我讲 它们之间的关系就可以了 在刚才这个公式里面 当功率p不变的时候 电压u越高 电流i就越小 比如说p等于1千瓦的时候 220V的电压 它对应的电流是4.5安 但如果我们把电压升到11,000V 电流就只有大概0.09安了 那么根据损耗的公式

q等于i的平方乘以r t这个电流变小 输电过程中的热损耗就会急剧的减少 那如果你还是不太理解的话 我们再来打个比方 我们假设你要把1,000吨的货物 从北京运到上海 低压输电呢 相当于用1,000辆小汽车来运输 每辆只运一吨 那么路上有收费站 有油费 堵车损耗等等等等就会非常的大

而高压输电呢 相当于用一辆火车 来运输所有的1,000吨的货物 那么同样的路程 火车的损耗 就比1,000辆小汽车要小的多 就是这样一个道理 这也就是为什么远距离输电 必须用高压电 甚至是超高压特高压的核心的原因 好那为啥交流电就能用高压 而直流电不行呢 前面咱们说了 当电压高

过于电器所能承受的电压的时候 电器就会损坏 所以这里就要有一个关键的设备 它就是变压器 变压器的工作原理并不复杂 你一听就能懂 它主要由两部分组成 一部分呢叫做原线圈 它是代表变电之前的那个线圈 第二部分呢 叫做副线圈 它就是调压之后的线圈 这两个线圈呢 都绕在一个铁心上 这里的关键是

两个线圈是没有直接连在一起的 它们之间靠铁心来传递磁场 变压器工作的过程 是让磁场当做一个信使 来实现电压的转换 当原线圈接通电源的时候 会产生一个磁场 如果这个电是来回变化的 那就会产生变化的磁场 这个磁场通过铁心 就传到了副线圈的周围

而副线圈处在变化的磁场中 会感应出来变化的电 感应出来的电压大小 和两个线圈的匝数 就是这个圈数 是有关系的 电压的变化正比于线圈的圈数 比如说原线圈有1,000匝 接220V的电 副线圈是10匝 那么副线圈输出的电压就是220 乘以10/1,000 就等于2.2V

这样就实现了降压 反过来也是一样的原理 如果副线圈的匝数更多 比如说到2,000匝 那输出电压就会变成440V 这样就是升压了 好了谜底揭晓 我们为什么必须用交流电呢 因为只有变化的磁场 才能让副线圈感应出电流 如果是直流通电 磁场是稳定的 也就是没有变化的

那副线圈就不会产生电流 只有交流电才能用变压器 只有用变压器能把低压变成高压传输 到了我们家的时候 再用变压器降压供我们使用 这样才能实现远距离电力的传输 这个电场和磁场变化的频率 就是交流电的频率 那说到这你也能理解 爱迪生对特斯拉发动的攻击了

他本质上攻击的不是交流电更危险 而是交流电能升压变成高压电 这个高压电是危险的 而直流电都没有办法通过变压器升压 它当然更安全 所以在这点上 爱迪生并没有撒谎 不过也正是因为它只能低压传输 所以在远距离的情况下 只能是隔一段路程 就建一座新的发电站 那成本当然是比交流电高多了

好那问题又来了 变化的电场会产生变化的磁场 变化的磁场又会产生变化的电场 这个是什么意思 哎你别急 这是一个大问题 我们一会再说 我先来问你一个问题吧 在你的想象中 电从发电厂到我们的手机里 这个传送的过程 它传送的到底是什么呢 思考一下 你会不会想象

大概电流就是电子的流动吧 那就是一束一束的电子束 从发电厂来到了我们身边对吗 那就有问题了 刚才我们说 交流电它是来回变化方向的 那交流电它应该在原地来回摆动 一个来回摆动的东西 怎么可能是远距离传输呢 就好像一辆车 他先往前开5米 再往后倒5米 如此往复

那他猴年马月也开不出多远呀 对吧我们来说这个问题的答案 电它确实来自于电子的运动 但这个问题的核心 是混淆了电子的运动和电能的传输 不管是直流电还是交流电 导线里的电子其实 运动的速度很慢 在直流电里 电子的定向运动速度 大概只有每秒几毫米交

流电里的电子每秒大概左右摆动 50 次 但是每次摆动的距离也只有几微米 几乎等于是留在了原地 但是这并不影响电能的传输 因为电能的传递靠的是电场的推动 不是电子自己跑到了目的地 我们知道电线是金属 金属的一大特点就是 它内部有大量的可以自由移动的电子 当电线两端加上电压

就会在导体内部形成一个电场 导线里的电子被这个电场力推动 这种力的传递是接近光速的 所以电能可以瞬间传到远方 和电子本身的运动距离没有关系 你可以想象多米诺骨牌 你推倒最左边的骨牌 左边的骨牌倒下碰到右面的 右面的再碰到更右面的 这个倒下的动作 也就是能量会沿着骨牌

一直传到最右边 哪怕每个骨牌它只动了一点点 重点不在每个骨牌运动了多少 而是骨牌倒下的能量被传递到远处了 所以说到这你就知道了 电线中奔跑的不是电子 而是电子运动的能量 电流无论是直流还是交流 本质上都是电子携带能量的流动 在导体里面 外层的电子

可以从一个原子跳到另一个原子 就会形成连锁反应一般的运动 好到这里 我们暂停一下 复盘一下 我们从家里的电器 顺着电线一路向上追 同时也是顺着人类探索的时间线 不停的往回追溯 似乎摸到了一点点电的本质 你觉得还有问题吗 有当然有 我们还要顺着电线

一路追溯到电的源头 也就是发电机还要在时间上 追溯到人类掌握和理解电的源头 我们试试看能不能再往本质里挖一挖 电这个东西 它在本质上到底是什么 让我们来看看 人类是怎么走到发电机这一步的吧 其实说来真的很怪 人类对电力的掌握 比对火或者风等等自然现象 晚了很多很多年

火的掌握可以追溯到 40 万年前 而人类对电力的理解和控制 则是在 18 世纪到 19 世纪才发生的事 这中间 几乎相差了整个人类这个物种 历史那么久 那为啥呢 火和风 它们都是宏观的可以直接观察的力量 人类可以通过热光和运动等等 对它们驾驭要容易的多 而电

它压根就不是一个能直接观察到的东西 你可能说哎 闪电不是能看见吗 这其实不对 我们看到的闪电 其实是放电效应的副产品 巨大的电流通过空气 加热了周围的气体 让空气中的分子变成了带电的粒子 并且在激发态和基态之间跃迁 总之 这个过程就会释放出大量的能量 其中就包括了可见光

简单点来说 闪电是电流击穿空气的时候 空气被烧的发光 我们看到的是空气燃烧的过程 而不是电流本身 对你在任何的游戏和影视作品中 看到的那些电流 本质上都是艺术加工 我们用任何方式都不能看见电 我们感知电流的方式永远都是间接的

比如说发光发热磁效应等等 我们看不见电 就像看不见引力一样 人类最早接触的电 是自然界里面的静电现象大 概在公元前600年左右 古希腊哲学家泰勒斯就发现 用毛皮摩擦过的琥珀能吸引羽毛 这是人类第一次记录摩擦起电的现象 此后2,000多年 人类对电的认知 就一直停滞在

对静电现象的零散观察上 直到 18 世纪才进入了系统性的研究 1733 年法国有一个科学家叫做杜费 他发现了存在正负两种电荷 提出了同性相斥 异性相吸的规律 又过了20年到1752年 伟大的富兰克林通过著名的风筝实验 证明雷电和摩擦产生的静电 它们是同一种物质 你要知道 人类在此之前

不认为闪电和摩擦起电是同一种东西 也直到这一年 人类第一次理解了自然界里的雷电 它大概是一个什么东西 静电虽然可以被观察 但是很快会消散 也难以持续利用 人类真正使用电的关键突破 是实现对持续电流的控制 1800年 意大利科学家叫做伏打 他通过实验发现

用两种不同的金属 比如说铜和锌 接触盐水或者酸液的时候 在里面就会产生持续的电流 他把锌片和铜片交替的堆叠 中间用浸过盐水的布隔开 于是就制成了 人类第一个能稳定产生电流的装置 叫做伏打电堆 这个东西就是电池的原型 尽管人们当时对电流的本质

也就是电子的运动是一无所知的 但是科学家们很快就通过各种实验 发现了电流的各种效应 并且加以利用 而就在这个时候 人类突然发现电 它和一个八竿子打不着的东西 似乎有某种深刻的联系 那个东西叫做磁 即便是一个现代人 如果他不了解科学历史 你给他一块电池 再给他一块磁铁

他都很难想象 这两个东西之间有什么联系呢 这个联系的发现 真的是来自于一次偶然 在1820年 一个叫奥斯特的人 偶然在他上课的时候 发现了一个奇特的现象 他本来是给学生演示电池的制作的 他接通了电池的两极 结果发现旁边桌子上有一根磁针 他莫名其妙的发生了偏转 奥斯特没有放过这个偶然 随后几个月

他进一步深入的研究 发现运动的电荷 也就是我们现在所称的电流 它会让导线产生磁力 这个磁力会让磁针 沿着以导线为中心的圆形切线方向偏转 很快这个发现的消息 就传遍了整个欧洲大陆 又传过了英吉利海峡 运动的电荷可以产生磁力 人们不禁就想 那电荷和磁之间还有其他联系吗

磁铁是不是也能反过来作用于电呢 到了1831年 科学家法拉第 做了一个非常重要的实验 他接通了缠绕着铁棒的线圈 让铁棒磁化 在这一瞬间他发现 另一条绕着同一条铁棒的线圈中 有电流通过 问题就在于 简单的把导线放在磁铁旁边 没有办法在导线中产生电流

可是当磁出现或者消失的过程中 导线里就会产生电流 接下来 法拉第让磁铁在导线周围移动 同样的效应又一次出现了 当磁铁接近或者远离导线的时候 导线里面就有电流通过 和电荷的移动产生磁力一样 磁铁的移动 或者是磁场强度的变化也能产生电流 就在这一刻

人类终于想到能怎么发电了 我们可以把机械能转化为电能 如果在水车的叶片上附上线圈 再把水车放到一个大磁场里 那么当水车旋转的时候 通过线圈的磁场线数量就会发生改变 从而产生持续的电流 虽然在那之后 发电机进化的越来越复杂 我们有了火电站水电站和核电站

但本质上用的都是法拉第的发现 也就是著名的电磁感应原理 法拉第还有另一个重要的发现 他通过电解实验发现 电解的时候 析出的物质质量和通过的电量成正比 这就暗示 电荷可能是以粒子的形式存在的 也就是每一个粒子携带固定的电量 以此为开端 英国的物理学家约瑟夫汤姆逊

发现了一种带负电的电子流 他经过计算得出 这种粒子的质量仅仅为氢原子的1/1,836 电荷量与电解中氢离子的电量是相等的 汤姆逊给这种粒子起了一个名字 就是电子 随后 人类在粒子物理学这条路上突飞猛进 不带电的中子和带正电的质子被发现 电子携带的电量也被计算出来

原子的模型直到今天也在被沿用 也就是正电荷集中于原子核 负电荷由核外的电子携带 两者共同构成了电中性的原子 当电子离开一个原子 发生移动和跃迁的时候 就产生了电现象 当电荷在导线中定向移动的时候 也就形成了我们所知道的电流 还有一个分叉的故事非常重要

不得不提 法拉第发现电磁感应的那一年 有另一位伟大的科学家 他刚好出生 他就是詹姆斯克拉克麦克斯韦 几十年之后 麦克斯韦通过自己的数学天赋 来重新描述和理解了 法拉第的各种发现 他用严格的公式 描述了电磁感应的现象 用数学计算之后 麦克斯韦进一步发现 磁场的变化能产生出电场

而电场的变化应该也能产生磁场 至此在科学原理上 电和磁变得不可分离 我们再也不能抛开磁力来谈电力了 这还没完 我们来做这样一个思想实验 上下抖动一个带电的小物体 会发生什么呢 对它的周围带有电场 当你移动一个电荷的时候 根据麦克斯韦的理论 电场的变化会产生磁场

当这个电荷反向运动的时候呢 磁场的方向也会发生翻转 而一旦磁场变化 又会产生新的电场 我们不断上下的抖动这个电荷 电场的方向不断改变 电场感应出磁场 磁场的方向也不断改变 于是我们又有了新的感应电场 如此往复 抖动着的电荷 不断在它左右产生新的电场和磁场

这样的电场和磁场不断的衍生 向外传播 形成了一种电磁扰动 这一切 都遵循着麦克斯韦的电磁学方程 既然有电磁的扰动就会形成波 那它自然就叫电磁波了 麦克斯韦根据公式 就计算出了 这个电磁波向外传输的速度 注意这个传输的速度 和你上下摆动这个电荷的速度 是没有关系的 就像前面我们说

电能在电线里的传输速度和 电子在里面的摆动速度 也是没有关系的 当麦克斯韦把实验数据带入公式之后 他得到了一个吃惊的数字 电磁波传播的速度是每秒 30 万公里 1862 年麦克斯韦记下了 他第一次推出 电磁波传播速度时的感受 他说这一切的巧合 让我们难以回避下面的推断

我们熟悉的光 与同介质中引起电磁现象的横波 具有一致性 换一句大白话来说吧 光就是一种电磁波 为什么会有光 这个问题困扰了我们人类2,000年 而正是麦克斯韦论文中的这一句话 使得这个难题最终尘埃落定 电磁光这三种在我们日常理解中 完全不同的三种东西

原来它们是一回事 这真的很神奇哈 由此我们也知道 光速不变 它并不是测出来的 而是算出来的 这个知识其实跟今天的内容无关 我们也就说到这 如果你感兴趣 我之前把它录在了另一期节目里 节目的名字叫跟爱因斯坦抬杠 光速到底为啥不变 这期节目里你可以去听听看 那回到我们的主题 到这我们顺着人类研究电的历史

逐步搞清楚了电的本质 也走到了 利用磁场运动来发电的这样一个节点 那再往后的故事你都知道了 我们再来复盘一下 爱迪生利用发电机的原理 发明了一整套供电系统 特斯拉通过交流电和变压器 解决了电力远距离传输的难题 人类又通过一系列的立法措施 统一了电网的电压频率 无数的电器制造商

又通过很多精妙的设计 才有了今天我们随便拿起一个插头 插进家里的电源 就可以随意使用的现代的生活 电就这样被人类征服 同时也支撑起了整个人类的现代文明 直到今天 运营一整套电网 也是一件难度极高的超级工程 当你知道了电的本质 就知道它和水是完全不一样的

电必须在电路中流动 它才存在 不存在静止的电 也就是说水它可以存在水库里 大家慢慢取用 而电必须是即发即用的 整个电力系统的核心目标 就是保持发电量等于用电量 发电量跟不上就会停电 发电量太多就会浪费 甚至烧毁整个电网

所以国家电网需要预测全国的用电量 要规划火电水电风电 光V等等电源的布局和容量 国家电网的各级调动中心 要通过实时的监测系统 以秒为单位 采集全网的发电量 用电量频率电压等等的数据 不停的实时调控 你想象一下就知道这件事有多难 如果短期内出现发电量大于用电量

那就用各种充电站来临时的蓄电 比如说抽水蓄能电站 就是当电力过剩的时候 用电动机带动水泵 把下游的水抽到上游的水库储存 用电高峰的时候 再放水推动水轮机发电 把电能返还给电网 但是这个过程也是有相当大的损耗的 所以让整个发电系统 尽可能的一直保持发电量等于用电量

这件事虽然极难 但也是必须要做的 现在你还知道 电的传输速度几乎等于光速 电不是一点点生产再慢慢运 到你家的 它和煤矿和水都不一样 新疆哈密到河南郑州这么远的距离 它们之间的特高压输电线路 长达2,210公里 而电力的传输只需要 这其实比你打开电源

到电视屏幕亮起所花掉的时间 长不了多少 想象一下 整张复杂的国家电网 就是24小时不间断的 以接近光速的效率不停的运转 我们习以为常的生活 电压太高为什么会烧坏电器了 每毫秒都在被这样一个复杂庞大 又极其高效的网络支撑着 想到这里

你会不会为我们人类的科技和文明 起立鼓掌呢