漫聊合集 電，是什麼？

電從發電廠到我們的手機裏 這個傳送的過程 它傳送的到底是什麼呢 今天我們看似習以爲常的 用電自由 背後其實藏着一段關於科學突破 商業博弈和時代變革的故事 這一切都要從一場 電壓與頻率的標準之戰說起 話說在20世紀初 英國當時的電力供應非常的分散 缺乏統一的標準 什麼意思呢 咱們舉個例子 1920年的時候 僅僅在倫敦 就有超過50種不同的供電系統 使用了24種不同的電壓 和10種不同的頻率 這就意味着 如果你在不同的城市之間搬家 甚至就是在 同一座城市的不同區域搬家 家裏的電器可能就直接廢了 用不了了 你只能重新買新的 這種分散 低效用非常不可靠的供電方式 給經濟和我們日常的運營 帶來了非常大的壓力 不僅阻礙了工業的發展 也讓所有普通人用電 變得非常不方便 當時的人們意識到 碎片化的系統 帶來的這麼多的限制 英國政府就坐不住了 這樣不行了 所以他們在1925年 委託了一個實業家 叫做韋爾勳爵 專門讓他來解決 英國電力供應行業 效率低下分散的問題 最終經過一系列的努力 在隔年 1926年推出了一個叫做 電力供應法案 明確提出 咱們要建立一個 國家電網的供電系統 根據這項法案 英國當時的 中央電力委員會 就應運而生 隨後又建立了 英國第一個 全國範圍內 同步運行的交流電網 統一採用了 132千伏50赫茲的 標準電壓和頻率 這種標準化 不僅保證了 全國各地所有人 都可以用同樣的電 也非常大的 提升了電力傳輸的效率 到了1938年 這個電網 已經作爲國家系統 全面投入運行了 而與此同時 電力的用戶量 也迅速的增長 從1920年的75萬 直接飆升到了 1938年的900萬用戶 這裏我們就看到 電的標準化使用 它需要關鍵的 立法干預 通過法律來 強制標準化 並且建立一個 中央的機構 來統一監督電網的創建 後來到了1949年 英國電力局決定 升級到了275千伏的線路 這個系統就是爲了 滿足1970年預計的 3萬兆瓦的需求 後來再到1965年 又造了一個超級電網 部分線路升級到了 400千伏 以適應不斷增長的需求 並且減少損耗 好 剛纔咱們就唸了一段 歷史的報道啊 那到這兒呢 我們要暫停一下 你有沒有覺得 好像不太能聽懂呢 爲什麼早期英國電網標準 沒有統一 使用不同的電壓和頻率 會給人們的生活 帶來不便呢 我們現在好像 不管是用電腦 用洗衣機 還是給手機耳機充電 都不需要考慮這些問題 那插上電不就能用嗎 換句話說 如果當時英國人 他就是不管3021 把電源一插 誒 不符合電壓的要求 會發生啥事呢 咱們直接說結果啊 要麼電壓太高 電器會被燒掉 要麼電壓太低 電器會無法啓動 誒 說到這兒 要是按照咱們小時候 問大人的那個規則啊 差不多也給你答案了 但別忘了 我們今天的約定是 不滿足於階段性的答案 我們要一直往下追問 那我們就先來問 爲什麼電壓太高 電器會被燒掉呢 爲什麼電壓太低 電器就無法啓動呢 如果到這兒 你開始不滿足於表面的答案 非要像我一樣的刨根問底 那我們這趟 要把電到底是什麼 搞清楚的旅程 就算是正式啓程了 要解答這個問題 我們得搬出三個 關於電的最基礎的概念 一個叫做電壓 一個叫做電流 另一個叫做電阻 別害怕啊 這三個東西雖然都是 看不見摸不到的 但是爲了幫助你理解呢 咱們可以用水流來打一個比方 等你理解了之後 我們後面再卸磨殺驢 說清楚這個電和水 其實是完全不同的東西 先說這個電壓 它的英文字母是U 我們可以類比爲水壓 它是推動電荷流動的力量 單位是伏特 有的時候我們說千伏 那就是1000伏特 電流呢 我們可以類比成水流的速度 它是單位時間內流過的 電荷的數量 單位是安培 這個電荷數量是啥 你先暫時不用考慮啊 我們後面再說 你暫時就把它想象成水流量 也就是單位時間流過的水分子的數量 這個電流的英文字母 是用I來代表 最後就是這個電阻 英文字母是R 類比水管的粗細或者是阻力 它是電器內部對電流的阻礙的作用 單位是歐姆 好 這三個概念說完了 我們拋一個公式啊 聽不懂也沒有關係 這三者的關係是由歐姆定律決定的 歐姆定律當然就是由歐姆發現的了 這個公式很簡單啊 電流I等於電壓U除以電阻R 重複一遍啊 電流等於電壓除以電阻 非常簡單啊 那你想象一下 因爲電阻是分母嘛 它越大 你可以想象就是 水管的摩擦力特別大 或者說水管裏有很多的髒東西 那在同樣的水壓之下 阻力越大 這個水流 也就是我們說的電流啊 這個水流就越小 那這個電壓呢 它是分子 同樣的電阻下 電壓越大 對應的電流也就越大 就是這麼個道理啊 那對於大多數電器來說呢 這個電阻的R是固定的 比如說燈泡的燈絲 電機的線圈等等 這些出廠時候就確定了 也就是說 對於我們常見的電器設備 電流和電壓就是成正比的 而真正燒燬電器的不是電壓 而是電流 好那問題又來了 爲啥電流能燒燬電器呢 因爲啊 電流除了驅動我們的電器正常工作 它還一定會產生熱量 而它產生多少熱量 是由一個叫做 焦耳定律的物理公式決定的 當然就是焦耳發現的了 焦耳定律的公式是這樣的 熱量Q 等於電流的平方乘以電阻乘以時間 也就是說 熱量和電流的平方成正比 電流增大一點點 熱量就會急劇的增加 而你像燈絲 或者電器內部的導線啊 元件啊 它們承受的熱量是有限的 比如說燈絲的熔點是固定的 如果熱量突然增加太多 就有可能讓它融化 燒壞 甚至可能引發火災 好 那到這兒 我們就明白 電壓太高 爲什麼會燒壞電器了 再來說說 爲什麼電壓不足 有的設備它就啓動不了 有很多電器裏面 它都有機械的結構 比如說 洗衣機裏面得有個電動機 電動機的複雜原理 咱們不用理解啊 總之呢 得有一個什麼東西 被電流給驅動 讓它能轉動起來 對吧 而電動機的核心 是靠電流產生磁場 而帶動轉子轉動 它需要足夠的扭矩 你就想 你得有足夠的力氣 才能轉動方向盤 是一樣的 那扭矩的大小 就和電壓密切相關 電壓過低的時候 磁場就會變弱 扭矩不足 轉子轉不起來 比如說空調壓縮機啓動的時候 電壓太低 就會嗡嗡響 但是不轉 還沒完 更危險的是 當這個轉子它不轉的時候 電動機的電阻會急劇下降 剛纔咱們說了 電流等於電壓除異電阻 那電阻急劇下降 就會導致電流急劇上升 導致線圈過熱燒燬 你可能又問了 有的電器 它不是靠電機 比如說我的筆記本電腦 爲啥它電壓過低也不行呢 這是因爲 電器設備內部的芯片 還有電路等等元件 它們對電壓的穩定性 和豎直精度 有嚴格的要求 電壓不足 就會破壞電路正常的 傳遞信號和能量供給 電子設備它不是一個轉子 而是靠一整套電路上 各種小零件共同工作的 我們可以再打個比方 電路就像一個精密的流水線 每個元件 比如說芯片電容電阻 都像流水線上的工人 它們必須都在 特定的電壓條件下 才能完成自己的工作 電壓不夠 整個流水線就會停工 你像電腦手機路由器 等等電子設備 它們內部最核心的部件 都是芯片 比如說CPU顯卡內存 這些都是芯片 而芯片的工作 依賴於半導體開關的通和斷 你可以理解成 無數個極其微小的電子閥門 這些閥門的開關狀態 決定了數據的計算 和數據的傳遞 比如說開代表1 關代表0 那就構成了一個 二進制的信息 這些電子閥門 就像一扇一扇的門 它們要足夠的電壓推力 才能被打開 而設備裏所有計算 都依賴於穩定的零和一 傳輸的這些二進制的信息 這些電子閥門的開關 需要精確的電壓驅動 比如說常見的電腦CPU 工作電壓可能只有1.2伏左右 而咱們的電源一般是220伏的 它不能直接給CPU供電 得用一個變壓器 就是咱們電腦電源上 那個大黑傢伙 這裏咱們先壓一個伏筆 變壓器這個東西 到底是怎麼把220伏的電壓 變成電器能用的低壓呢 它是怎麼工作的呢 如果你好奇的話 得聽到後面 我們還有兩個重要的原理 搞懂了才能知道變壓器的原理 我們晚一點再回來 先說電器爲什麼要有穩定的電壓 芯片是這樣工作的 當電壓正常工作的時候 比如說輸入220伏的試電 經過轉換 穩定輸出了19伏給筆記本電腦 再分給各個部件 比如說一塊芯片需要1.2伏 這個電壓的推力 剛好讓閥門順利的開關 又不會燒掉它 零和一的信號清晰的傳遞 這個芯片就能正常的計算了 而電壓不足的時候 電源的模塊可能就會轉換失敗 沒有辦法輸出穩定的電壓 比如說原本應該輸出19伏 結果只輸出了12伏 那這個芯片就得不到足夠的能量 再分給裏面的小閥門 而每一個小閥門的推力就不夠 閥門可能打不開 或者是開關徹底的成一個混亂的狀態 那裏面所有的傳輸的信號就是錯亂的嘛 本來是001 結果傳輸成了000 電腦在宏觀上就會表現爲無法開機 或者黑屏或者死機等等 好到這你知道 本質上所有的電器都是電壓的產物 無論是機械運動還是電子信號 都需要電壓提供的能量或者是驅動力 而且這個驅動力必須在設備設計的範圍內 太高太低都會打破平衡 這也是爲什麼電子設備的電源適配器 就是那個大黑傢伙上都會標註 輸入電壓的範圍 比如說100到240伏 超出範圍就可能無法工作 甚至會損壞 那說到這 你好像理解了電壓爲什麼要穩定 那我順便補充一個知識給你啊 你看咱們買手機喜歡買快充的對吧 不過光是手機快充還不行 你還得買個快充頭 久而久之呢 可能你家裏的充電頭就都是快充的 那你有沒有發現 快充頭給不支持快充的手機 也是能充電的 它只是不快而已 而你偶爾買一個很老的小東西 比如說老款的刮鬍刀 小夜燈之類的 你把它們插在這個快充頭上 是充不進去電的 甚至還可能會發燙 這時候你去問賣家 賣家就都會說 你換個普通的充電頭就好了 你看多數的時候 我們不需要考慮設備是不是支持快充 但是對於少數的設備呢 我們反倒是很不習慣 那大不了不能快充 你就充慢點的 那咋還不能充呢 那這裏所謂的快充啊 本質上就是通過提高電壓或者電流 讓設備在短時間內獲得更多的電能 但這對電器來說是一把雙刃劍 需要設備具有一定的抗壓能力 這個抗壓就是指抗電壓啊 而很多電器不具備這樣的設計 你要知道 快充不是簡單的加大電壓電流就完了 而是需要充電器和設備之間的協議溝通 比如說手機快充的時候 充電器會先和手機商量一下 我這邊能提高電壓 你能接得住嗎 手機同意之後纔會啓動快充 支持快充的設備 內部是有專門的快充芯片的 它能識別這個快充協議 同時呢有更耐高功率的元件 比如說加粗的導線 散熱更好的電池等等 這樣它就可以安全的處理大電流和高電壓 手機等等快充設備的電池呢 也是特製的 比如說用更高密度的電極材料 加入散熱層等等 這樣一系列的設計 就會配合充電電路控制電流的大小 這樣我們才能在安全的範圍內 把電壓提上去 而不支持快充的設備 比如說老的手機 它們內部的電路是按照低功率標準設計的 它們沒有這個快充協議芯片 也沒有強化散熱和耐流的元件 如果強制用高功率快充頭呢 可能會導致電路的過載元件燒燬 那爲什麼有的老款手機 雖然它不支持快充 但是呢我們就是用快充頭充電也能充呢 只是充的慢一點呢 這裏的功勞不在手機啊 核心原因是快充頭 它會自動的妥協 降到老手機能接受的標準速度 而不是強行的輸出高功率 這背後是充電器電路兼容性設計在其作用 快充頭不是隻能輸出高電壓和大電流 它本質上是一個多檔位的電源 它會先按照最安全的通用標準輸出電力 所有的充電器都遵循一個最基礎的協議 就是默認輸出5V的電壓 比如說你的快充頭支持10V 4A的快充 但是插在老手機的時候 它會先試探一下 對方不支持快充協議 那我就按照最基礎的5V輸出吧 於是就可以安全充電了 這個本質上是因爲老手機是老產品 快充頭是新產品 它新產品爲了兼容老產品 做出的這樣一種很聰明的設計 而支持快充的手機會通過內部芯片 向充電器發送信號 我支持某某快充協議 可以接受多大多大的電壓 充電器收到信號之後 纔會切換到那個高功率的檔位 所以你看快充頭它是經過精心設計的 它相當於一個既能出高壓電 也能出普通電壓的電 這樣一個充電設備 只要我們的設備不發出允許高功率的信號 它就始終輸出最安全的5V的低壓 那你可能又要問了 那爲什麼有的小電器 用快充頭就完全充不進去呢 核心原因在於快充頭的妥協是有前提的 需要設備先告訴它 我需要電 而某些小的電器 它甚至沒有辦法完成這個最簡單的溝通 普通的充電器就是那種非快充的充電器 它的設計很簡單 只要插上設備就直接輸出5V的電壓 不管設備是什麼 但是快充頭呢 它爲了安全增加了一個檢測的機制 它會先發出一個微小的探測信號 比如說只有幾毫安的電流 只有當設備回應了這個信號 比如說在設備內部電路形成迴路 讓電流能流起來 快充頭纔會確認有設備接入 然後輸出最低的那個5V的電壓 而有的小電器 比如說很老的低端的藍牙耳機 廉價的電子玩具 舊款的電子錶的那個充電倉等等 它們的電路非常的簡單 甚至都沒有激活迴路的設計 那充電頭沒有收到這樣的回應 它就會認爲我沒有接設備 所以它就會處於休眠的狀態 不輸出任何電壓 那當然也就充不進去電了 我把這整個故事講給你 就是希望你知道 我們今天能無感應用電 其實背後都是很多標準約定和隱形的設計 在幫我們兜底 這背後其實真的是有長期的博弈和妥協的結果 那我們聊到這 你應該對爲什麼當時英國的電壓標準不統一 導致搬家需要重新買電器瞭解了 可能你忘了 我們前面還說 電網除了電壓要統一 還有一個叫頻率的東西也要統一 那這個頻率又是什麼呢 頻率這個物理量不是電專屬的 它很好理解 就是指任何週期性現象重複發生的速率 頻率的單位是赫茲 一個鐘每秒擺動一次 那頻率就是一赫茲 那電的頻率是什麼意思呢 比如說中國家用交流電的頻率是50赫茲 意味着電流方向每秒變化50次 這個電流爲啥會改變方向呢 這就要聊到直流電和交流電了 我們日常使用的設備只要是用電池的 就都是直流電 家裏的那種電源是交流電 國家電網裏傳輸的也是交流電 要搞清楚直流電和交流電的區別 我們還要從兩個大牛 一段相愛相殺的故事聊起 話說在1879年 大名鼎鼎的發明家托馬斯·愛迪生 發明了白癡燈 實際上嚴謹一點說 在他之前還有很多人獨立的發明了電燈 但是都沒有什麼建樹 這裏邊最重要的原因之一 就是隻有愛迪生想到 光是有電燈是沒用的 要讓電燈普及到千家萬戶 必須建立一套完整的電力傳輸系統 於是在1882年 他在紐約建成了世界首個商業發電廠 叫做珍珠街電站 這個珍珠街電站通過直流電 爲周邊街區供電 直流電其實是咱們能想象 最符合直覺的電流 就是電從一個地方流到另一個地方 如果你不多瞭解的話 想象中應該所有的電都是這樣的 愛迪生當然也是這麼想的 而且在他看來 主要用電池的直流電它更安全 不過直流電有一個致命的缺陷 就是傳輸距離特別的短 超過一公里之後 電能損耗就會變得相當嚴重 這就意味着 每個街區都要單獨的建發電廠 而不能在一個地方建一個大發電廠 再把電運到全國 這個成本就特別的高 接着就有請我們的第二位 尼古拉斯特斯拉 就是現在我們那個特斯拉汽車 致敬的那個特斯拉 他是塞爾維亞裔的科學家 從小的時候就對電非常的癡迷 愛迪生也是他的偶像 但是特斯拉和愛迪生 完全不是一樣的路數 愛迪生他是個發明家 也是個實幹家 但其實他不怎麼懂理論 主要就是靠一個錨 靠一個勤奮 就是暴力窮舉法不停的試 發明電燈的過程中 他試了大概7000多種燈絲的材料 但他就是不從理論上研究 爲什麼有的燈絲壽命更長 而特斯拉他是個理論家 他喜歡從根本原理上 研究物理現象 他發現直流電的這個缺陷之後 就提出了交流電 所謂交流電 就是電流的方向週期性變化 這樣一個解決方案 交流電帶來最大的好處 就是可以用變壓器提高電壓 而遠距離傳輸高壓電的損耗會變少 這樣傳輸到每個家庭 再用變壓器把電壓降成低壓電 這樣就能從根本上 解決電力傳輸的問題了 1884年 特斯拉帶着自己的交流電專利 和構想來到了美國 一到了 就直接投奔了偶像愛迪生 愛迪生當時 正爲直流電的傳輸問題頭疼 於是就僱傭了特斯拉 還給他許下一個承諾 如果你能改進直流發電機 直接獎勵五萬美元 這個大概相當於 現在的150萬美元了 特斯拉入職之後 很快就改進了直流發電機 但是當他向愛迪生索要獎金的時候 愛迪生卻說 哎呀特斯拉 你不懂美式幽默 我那只是開個玩笑而已 更關鍵的是 特斯拉多次建議愛迪生 不要搞直流電了 要轉向交流電 卻被固執的愛迪生拒絕 他認爲交流電危險不可控 而且會威脅自己的直流電帝國 那至此 兩人的矛盾就徹底爆發了 愛迪生推崇經驗主義 通過試錯搞發明 而特斯拉信奉理論先行 用數學來推導設計 愛迪生視交流電爲敵人 特斯拉則堅信它是未來 於是在1885年 特斯拉憤然離職 兩個人從師徒變成了對手 離職之後的特斯拉 一度是窮困潦倒 直到1887年 遇到了一個美國的企業家 叫做喬治·威斯汀豪斯 這個喬治當時 已經是愛迪生的商業對手了 他也知道交流電的潛力 馬上就買下了 特斯拉的交流電專利 並且邀請他 一起開發交流電的系統 又過了幾年 特斯拉發明了感應電動機 解決了交流電的應用難題 這個是交流電的核心設備 咱們先大概說一下 它的基本原理 是用旋轉的磁場 拽着轉子轉 而要產生旋轉的磁場 電流的方向 就必須是週期性變化的 那和它相比 直流電動機就有很多缺點了 比如說容易出故障 摩擦力帶來的磨損情況也很嚴重 成本也更高 那到1891年 他們成功實現了 16公里的交流電傳輸 這是徹底找到了一個 交流電比直流電的大優勢 接下來就是一段 不怎麼光彩的商業競爭了 面對交流電的威脅 愛迪生啓動了 瘋狂的反交流電公關戰 堪稱是不擇手段 比如說 他公開演示交流電的危險性 用交流電墊死流浪狗流浪貓 甚至在1890年 縱湧紐約州 用通了交流電的電椅 來執行死刑 這樣在概念上 就把交流電和死亡綁定在一起 他還利用自己的影響力 遊說政府和企業 拒絕使用交流電 甚至威脅供應商說 你要是和威斯汀豪斯合作 我就斷你的直流電設備供應 愛迪生之所以這麼幹 其實很大程度上是因爲 他已經在 現有的直流電基礎設施和專利上 投入了鉅額的資金 所以這場戰爭 它的本質 是市場份額和控制權 但是這些競爭手段 總的來說 還只能算是見走偏鋒 真到了商業競爭裏 還是得看成本和效率 在1893年 美國舉辦了芝加哥世界博覽會 打算展示一個 同年還招標建設 尼亞加拉大瀑布水電站 這個是當時最大的電力項目 愛迪生團隊競標的時候 當然是堅持用直流電了 他還是聲稱交流電不穩定 但是按照他的方案 瀑布到水牛城 需要建十座發電廠 這個成本就是交流電的十倍 而特斯拉這個團隊 則提出用交流電的方案 承諾只要建一座電廠 就能一次輸電到位 成本非常的低 那不用說了 最終博覽會和尼亞加拉項目 都選擇了交流電 在整個博覽會上 特斯拉的交流電系統 點亮了數萬盞電燈 驚豔了世界 後來到了1896年 尼亞加拉水電站建成 交流電成功傳輸了35公里 徹底證明了它巨大的優越性 在這些項目之後 交流電迅速地取代了直流電 成爲了全球電力傳輸的標準 原因很簡單 它解決了遠距離低成本 輸電的核心需求 也就支撐了現代電網的誕生 之後愛迪生的直流電帝國 逐漸的崩塌 他的公司後來和對手合併 成爲了通用電器 最終也放棄了直流電 轉向交流電 好 我們剛纔又講了一段故事 聽故事的過程中 你有沒有感到好奇呢 爲啥呢 爲啥交流電的運輸成本 就是比直流電低那麼多呢 我們又要進入科普階段了 真正影響電力傳輸距離的 其實不是直流或者交流的區別 而是電壓大小的區別 我們說送電送電 實際上傳送的東西是能量 你知道能量的傳輸 大多數情況下都是會被損耗的 比如說我和你兩個人站在路中央 我從這頭往你那頭 推出去一輛小車 因爲路面的摩擦力 這個小車到你那的時候 它攜帶的能量 肯定比我推出去的時候低了 對吧 電能在傳輸過程中也會損耗 這個損耗主要就來自於電線 準確的說是來自於電線會發熱 這個損耗的多少也有一個公式 Q等於I的平方RT 這個公式我們前面講過 和電氣發熱用的是一個公式 Q在這裏就是損耗的熱量 I是電流 R是電阻 T是時間 也就是說 只要導線的材質和長度是固定的 電阻就是固定的 那麼影響單位時間內 能量損耗的唯一變量 就是這個電流 電流越大損耗越大 所以我們要用更低的電流來送電 而發電站供應的能量 也就是發電的總功率它是不變的 比如說一個發電站每小時發電1000度 而功率電壓電流還有一個關係 就是功率P等於U乘以I 這個U是電壓 I是電流 在這我們說公式說得很快 其實你完全不用記這些公式 你只要聽我講它們之間的關係就可以了 在剛纔這個公式裏面 當功率P不變的時候 電壓U越高 電流I就越小 比如說P等於1000瓦的時候 220伏的電壓 它對應的電流是4.5安 但如果我們把電壓升到11000伏 電流就只有大概0.09安了 那麼根據損耗的公式 Q等於I的平方乘以RT 這個電流變小 輸電過程中的熱損耗就會急劇的減少 那如果你還是不太理解的話 我們再來打個比方 我們假設你要把1000噸的貨物 從北京運到上海 低壓輸電相當於用1000輛小汽車來運輸 每輛只運一噸 那麼路上有收費站 有油費 堵車損耗等等等等 就會非常的大 而高壓輸電相當於用一輛火車 來運輸所有的1000噸的貨物 那麼同樣的路程 火車的損耗就比1000輛小汽車要小得多 就是這樣一個道理 這也就是爲什麼遠距離輸電 必須用高壓電 甚至是超高壓特高壓的核心的原因 好 那爲啥交流電就能用高壓 而直流電不行呢 前面咱們說了 當電壓高過於電器所能承受的電壓的時候 電器就會損壞 所以這裏就要有一個關鍵的設備 它就是變壓器 變壓器的工作原理並不複雜 你一聽就能懂 它主要有兩部分組成 一部分叫做原線圈 它是代表變壓之前的那個線圈 第二部分叫做副線圈 它就是變壓之後的線圈 這兩個線圈都繞在一個鐵芯上 這裏的關鍵是 兩個線圈是沒有直接連在一起的 它們直接靠鐵芯來傳遞磁場 變壓器工作的過程是 讓磁場當做一個信使 來實現電壓的轉換 當原線圈接通電源的時候 會產生一個磁場 如果這個電是來回變化的 那就會產生變化的磁場 這個磁場通過鐵芯 就傳到了副線圈的周圍 而副線圈處在變化的磁場中 會感應出來變化的電 感應出來的電壓大小 和兩個線圈的雜數 就是這個圈數是有關係的 電壓的變化正比於線圈的圈數 比如說原線圈有1000雜 接220伏的電 副線圈是10雜 那麼副線圈輸出的電壓 就是220乘以10除以1000 就等於2.2伏 這樣就實現了減壓 反過來也是一樣的原理 如果副線圈的雜數更多 比如說到2000雜 那輸出電壓就會變成440伏 這樣就是升壓了 好了 謎底揭曉 我們爲什麼必須用交流電呢 因爲只有變化的磁場 才能讓副線圈感應出電流 如果是直六通電 磁場是穩定的 也就是沒有變化的 那副線圈就不會產生電流 只有交流電才能用變壓器 只有用變壓器 能把低壓變成高壓傳輸 到了我們家的時候 再用變壓器降壓供我們使用 這樣才能實現遠距離電力的傳輸 這個電場和磁場變化的頻率 就是交流電的頻率 那說到這 你也能理解 愛迪生對特斯拉發動的攻擊了 它本質上攻擊的不是交流電更危險 而是交流電能升壓變成高壓電 這個高壓電是危險的 而直六電都沒有辦法通過變壓器升壓 它當然更安全 所以在這點上 愛迪生並沒有撒謊 不過也正是因爲它只能低壓傳輸 所以在遠距離的情況下 只能是隔一段路程就建一座新的發電站 那成本當然是比交流電高多了 好那問題又來了 變化的電場會產生變化的磁場 變化的磁場又會產生變化的電場 這個是什麼意思啊 你別急 這是一個大問題 我們一會再說 我先來問你一個問題吧 在你的想象中 電從發電廠到我們的手機裏 這個傳送的過程 它傳送的到底是什麼呢 思考一下 你會不會想象 大概電流就是電子的流動吧 那就是一束一束的電子束 從發電廠來到了我們身邊對嗎 那就有問題了 剛纔我們說交流電 它是來回變化方向的 那交流電它應該在原地來回擺動啊 一個來回擺動的東西 怎麼可能是遠距離傳輸呢 就好像一輛車 它先往前開五米 再往後倒五米 如此往復 那它猴年馬月也開不出多遠啊 對吧 我們來說這個問題的答案啊 電它確實來自於電子的運動 但這個問題的核心 是混淆了電子的運動和電能的傳輸 不管是直流電還是交流電 導線裏的電子 其實運動的速度很慢 在直流電裏 電子的定向運動速度 大概只有每秒幾毫米 交流電裏的電子 每秒大概左右擺動50次 但是每次擺動的距離 也只有幾微米 幾乎等於是留在了原地 但是 這並不影響電能的傳輸 因爲電能的傳遞靠的是電場的推動 不是電子自己跑到了目的地 我們知道電線是金屬 金屬的一大特點就是 它內部有大量的 可以自由移動的電子 當電線兩端加上電壓 就會在導體內部形成一個電場 導線裏的電子 被這個電場力推動 這種力的傳遞是接近光速的 所以電能可以瞬間傳到遠方 和電子本身的運動距離沒有關係 你可以想象多米諾骨牌 你推倒最左邊的骨牌 左邊的骨牌倒下碰到右邊的 右邊的再碰到更右邊的 這個倒下的動作也就是能量 會沿着骨牌一直傳到最右邊 哪怕每個骨牌它只動了一點點 重點不在每個骨牌運動了多少 而是骨牌倒下的能量 被傳遞到遠處了 所以說到這你就知道了 電線中奔跑的不是電子 而是電子運動的能量 電流無論是直流還是交流 本質上都是電子攜帶能量的流動 在導體裏面 外層的電子可以從一個原子 跳到另一個原子 就會形成連鎖反應一般的運動 好到這裏我們暫停一下覆盤一下 我們從家裏的電器 順着電線一路向上追 同時也是順着人類探索的時間線 不停的往回追溯 似乎摸到了一點點電的本質 你覺得還有問題嗎 有啊當然有 我們還要順着電線 一路追溯到電的源頭 也就是發電機 還要在時間上追溯到 人類掌握和理解電的源頭 我們試試看 能不能再往本質裏挖一挖 電這個東西 它在本質上到底是什麼 讓我們來看看 人類是怎麼走到發電機這一步的吧 其實說來真的很怪啊 人類對電力的掌握 比對火或者風等等自然現象 晚了很多很多年 火的掌握可以追溯到40萬年前 而人類對電力的理解和控制 則是在18世紀到19世紀才發生的事 這中間幾乎相差了 整個人類這個物種歷史那麼久 那爲啥呢 火和風它們都是宏觀的 可以直接觀察的力量 人類可以通過熱光和運動等等 對它們駕馭要容易得多 而電 它壓根就不是一個能直接觀察到的東西 你可能說 閃電不是能看見嗎 這其實不對啊 我們看到的閃電 其實是放電效應的副產品 巨大的電流通過空氣 加熱了周圍的氣體 讓空氣中的分子變成了帶電的粒子 並且在激發態和激態之間躍遷 總之這個過程就會釋放出大量的能量 其中就包括了可見光 簡單點來說 閃電是電流擊穿空氣的時候 空氣被燒得發光 我們看到的是空氣燃燒的過程 而不是電流本身 對 你在任何的遊戲和影視作品中 看到的那些電流 本質上都是藝術加工 我們用任何方式都不能看見電 我們感知電流的方式 永遠都是間接的 比如說發光發熱磁效應等等 我們看不見電 就像看不見引力一樣 人類最早接觸的電 是自然界裏面的靜電現象 大概在公元前六百年左右 古希臘哲學家泰勒斯就發現 用毛皮摩擦過的琥珀能吸引羽毛 這是人類第一次記錄摩擦起電的現象 此後兩千多年 人類對電的認知就一直停滯在 對靜電現象的零散觀察上 直到18世紀才進入了系統性的研究 1733年 法國有一個科學家叫做杜費 他發現了存在正負兩種電荷 提出了同性相斥異性相吸的規律 又過了20年到1752年 偉大的弗蘭克林通過著名的風箏實驗 證明雷電和摩擦產生的靜電 它們是同一種物質 你要知道人類在此之前 不認爲閃電和摩擦起電是同一種東西 也直到這一年 人類第一次理解了自然界裏的雷電 它大概是一個什麼東西 靜電雖然可以被觀察 但是很快會消散 也難以持續利用 人類真正使用電的關鍵突破 是實現對持續電流的控制 1800年 意大利科學家叫做福達 他通過實驗發現 用兩種不同的金屬 比如說銅和鋅 接觸鹽水或者酸液的時候 在裏面就會產生持續的電流 他把鋅片和銅片交替的堆疊 中間用經過鹽水的布隔開 於是就製成了人類第一個 能穩定產生電流的裝置 叫做福達電堆 這個東西就是電池的原型 儘管人們當時對電流的本質 也就是電子的運動 是一無所知的 但是科學家們很快 就通過各種實驗 發現了電流的各種效應 並且加以利用 而就在這個時候 人類突然發現 電它和一個扒杆子 打不着的東西 似乎有某種深刻的聯繫 那個東西叫做瓷 即便是一個現代人 如果他不瞭解科學歷史 你給他一塊電池 再給他一塊瓷鐵 他都很難想象 這兩個東西之間 有什麼聯繫呢 這個聯繫的發現 真的是來自於一次偶然 在1820年 一個叫奧斯特的人 偶然在他上課的時候 發現了一個奇特的現象 他本來是給學生 演示電池的製作的 他接通了電池的兩極 結果發現旁邊桌子上 有一根瓷針 它莫名其妙地發生了偏轉 奧斯特沒有放過這個偶然 隨後幾個月 他進一步深入的研究 發現運動的電荷 也就是我們現在所稱的電流 它會讓導線產生磁力 這個磁力會讓磁針 沿着以導線爲中心的 圓形切線方向偏轉 很快這個發現的消息 就傳遍了整個歐洲大陸 又穿過了英吉利海峽 運動的電荷可以產生磁力 人們不禁就想 那電和磁之間 還有其他聯繫嗎 磁鐵是不是也能反過來 作用於電呢 到了1831年 科學家法拉第 做了一個非常重要的實驗 他接通了 纏繞着鐵棒的線圈 讓鐵棒磁化 在這一瞬間他發現 另一條繞着 同一條鐵棒的線圈中 有電流通過 問題就在於 簡單的把導線 放在磁鐵旁邊 沒有辦法在導線中產生電流 可是當磁出現 或者消失的過程中 導線裏就會產生電流 接下來法拉第 讓磁鐵在導線周圍移動 同樣的效應又一次出現了 當磁鐵接近 或者遠離導線的時候 導線裏面就有電流通過 和電荷的移動產生磁力一樣 磁鐵的移動 或者是磁場強度的變化 也能產生電流 就在這一刻 人類終於想到 能怎麼發電了 我們可以把機械能 轉化爲電能 如果在水車的葉片上 附上線圈 再把水車 放到一個大磁場裏 那麼當水車旋轉的時候 通過線圈的磁場線 數量就會發生改變 從而產生持續的電流 雖然在那之後 發電機進化的越來越複雜 我們有了火電站 水電站和核電站 但本質上 用的都是法拉第的發現 也就是著名的 電磁感應原理 法拉第還有 另一個重要的發現 它通過電解實驗發現 電解的時候 吸出的物質質量 和通過的電量成正比 這裏就暗示 電荷可能是 以粒子的形式存在的 也就是每一個粒子 攜帶固定的電量 以此爲開端 英國的物理學家 約瑟夫·湯姆遜 發現了一種 帶負電的電子流 他經過計算得出 這種粒子的質量 僅僅爲氫原子的 1836分之一 電荷量 與電解中氫離子的電量 是相等的 湯姆遜給這種粒子 起了一個名字 就是電子 隨後人類在 粒子物理學這條路上 突飛猛進 不帶電的中子 和帶正電的質子被發現 電子攜帶的電量 也被計算出來 原子的模型 直到今天 也在被沿用 也就是 正電荷集中於原子荷 負電荷由荷外的電子攜帶 兩者共同構成了 電中性的原子 當電子離開一個原子 發生移動和躍遷的時候 就產生了電現象 當電荷在導線中 定向移動的時候 也就形成了 我們所知道的電流 還有一個分叉的故事 非常重要 不得不提 法拉第發現 電磁感應的那一年 有另一位偉大的科學家 他剛好出生 他就是詹姆斯·克拉克 麥克斯韋 幾十年之後 麥克斯韋通過 自己的數學天賦 來重新描述和理解了 法拉第的各種發現 他用嚴格的公式 描述了電磁感應的現象 用數學計算之後 麥克斯韋進一步發現 磁場的變化 能產生出電場 而電場的變化 應該也能產生磁場 至此 在科學原理上 電和磁變得不可分離 我們再也不能拋開磁力 來談電力了 這還沒完 我們來做這樣一個思想實驗 上下抖動一個帶電的小物體 會發生什麼呢 對 它的周圍帶有電場 當你移動一個電荷的時候 根據麥克斯韋的理論 電場的變化會產生磁場 當這個電荷反向運動的時候 磁場的方向也會發生翻轉 而一旦磁場變化 又會產生新的電場 我們不斷上下的抖動這個電荷 電場的方向不斷改變 電場感應出磁場 磁場的方向也不斷改變 於是我們又有了新的感應電場 如此往復 抖動着的電荷不斷在它左右 產生新的電場和磁場 這樣的電場和磁場不斷的衍生 向外傳播 形成了一種電磁擾動 這一切都遵循着 麥克斯韋的電磁序方程 既然有電磁的擾動 就會形成波 那它自然就叫電磁波了 麥克斯韋根據公式 就計算出了這個電磁波 向外傳輸的速度 注意這個傳輸的速度 和你上下襬動這個電荷的速度 是沒有關係的 就像前面我們說 電能在電線裏的傳輸速度 和電子在裏面的擺動速度 也是沒有關係的 當麥克斯韋 把實驗數據帶入公式之後 他得到了一個吃驚的數字 電磁波傳播的速度是 每秒30萬公里 1862年 麥克斯韋記下了 他第一次推出電磁波 傳播速度時的感受 他說這一切的巧合 讓我們難以迴避 下面的推斷 我們熟悉的光 與銅介質中 引起電磁現象的恆波 具有一致性 換一句大白話來說吧 光就是一種電磁波 爲什麼會有光 這個問題困擾了我們人類2000年 而正是麥克斯韋論文中的 這一句話 使得這個難題最終塵埃落定 這三種在我們日常理解中 完全不同的三種東西 原來它們是一回事 這真的很神奇 由此我們也知道 光速不變 它並不是測出來的 而是算出來的 這個知識 其實跟今天的內容無關 我們也就說到這 如果你感興趣 我之前把它錄在了 另一期節目裏 節目的名字叫 跟愛因斯坦擡槓 光速到底爲啥不變 這期節目裏 你可以去聽聽看 那回到我們的主題 到這我們順着 人類研究電的歷史 逐步搞清楚了電的本質 也走到了利用磁場運動 來發電的這樣一個節點 那再往後的故事 你都知道了 我們再來複盤一下 愛迪生利用發電機的原理 發明了一整套供電系統 特斯拉通過交流電和變壓器 解決了電力遠距離傳輸的難題 人類又通過一系列的 立法措施 統一了電網的電壓頻率 無數的電器製造商 又通過很多精妙的設計 纔有了今天 我們隨便拿起一個插頭 插進家裏的電源 就可以隨意使用的 現代的生活 電就這樣被人類征服 同時也支撐起了 整個人類的現代文明 直到今天啊 運營一整套電網 也是一件難度極高的超級工程 當你知道了電的本質 就知道它和水是完全不一樣的 電必須在電路中流動 它才存在 不存在靜止的電 也就是說 水它可以存在水庫裏 大家慢慢取用 而電必須是急發急用的 整個電力系統的核心目標 就是保持發電量等於用電量 發電量跟不上就會停電 發電量太多就會浪費 甚至燒燬整個電網 所以國家電網 需要預測全國的用電量 要規劃火電水電風電光伏 等等電源的佈局和容量 國家電網的各級調動中心 要通過實時的監測系統 以秒爲單位 採集全網的發電量 用電量頻率電壓等等的數據 不停的實時調控 你想象一下 就知道這件事有多難 如果短期內出現發電量 大於用電量 那就用各種蓄電站 來臨時的蓄電 比如說抽水蓄能電站 就是當電力過剩的時候 用電動機帶動水泵 把下游的水 抽到上游的水庫儲存 用電高峯的時候 再放水推動水輪機發電 把電能返還給電網 但是這個過程 也是有相當大的損耗的 所以讓整個發電系統 儘可能的 一直保持發電量 等於用電量 這件事雖然極難 但也是必須要做的 現在你還知道 電的傳輸速度 幾乎等於光速 電不是一點點生產 再慢慢運到你家的 它和煤礦和水都不一樣 新疆哈密到河南鄭州 這麼遠的距離 它們之間的特高壓輸電線路 長達2210公里 而電力的傳輸 只需要0.007秒 這其實比你打開電源 到電視屏幕亮起 所花掉的時間 長不了多少 想象一下 整張複雜的國家電網 就是24小時不間斷的 以接近光速的效率 不停的運轉 我們習以爲常的生活 每毫秒 都在被這樣一個 複雜 龐大 又極其高效的網絡支撐着 想到這裏 你會不會爲我們 人類的科技和文明 起力鼓掌呢