【官方雙語】機械電路：不用電的電路

這是一個機械迴路， 換句話說，它是一組機械組件的集合。 這組類比實在非常嚴謹有力 對於電路而言。 你有電阻、電晶體、電容器， 安培計、電池、電感器。 這東西竟然能打造出這麼令人難以置信的東西。 而對我來說，看到我的直覺實在是令人非常著迷。 關於電路的實體形式。 就像我能感受到電壓，也能看見電流。 它稱為自旋電子學。 描述中有一個連結。 他們根本沒有付我任何費用來製作這段影片。 我想把這件事說得清楚明白。 但當我看到 Kickstarter 的時候， 我剛知道我必須為此製作一段影片 因為我喜歡一個類比。 讓我們來看看一個非常簡單的電路。 所以這是電池，而這是電阻器 兩者由一條鏈條連接在一起。 當我拉動這條繩子為電池充電時， 然後電池將其能量釋放到電阻器中。 真正酷的地方在於，你能感受到阻力。 就像這個，阻值為一百歐姆。 具有一定的阻力。 這個是200歐姆，其電阻是兩倍。 你能感覺到它在你的手中。 而且你看，當你把200放進去的時候， 鏈條以一半的速度移動 當百人就在那裡的時候。 因此，鏈條的速度就像電路中的電流（安培）。 你可以像這樣將兩個電阻串聯起來 鏈條移動得更慢了。 你也可以像這樣將電阻串聯起來。 一開始有點違反直覺 因為它看起來有點像它們是並行的。 但這就是自旋電子電路中串聯的樣子。 這有點像水通過管道流動的類比 你經常在談論電子電路時聽到的。 但不是將水通過管道推送，而是 這是一條正在被拉動的鏈條 而且它正在對不同的組件施加拉力。 這或許是時候來處理一下了 那個顯而易見卻被忽略的維蒂塞姆象。 你大概看过他那個談話的影片。 關於電子電路實際上是如何運作的。 就是關於電路的那一個 那是光秒的長度。 這是一個非常重要的影片。 其實有兩支影片，因為他後來又做了跟進的內容。 我推薦你如果還沒看過的話，一定要去看。 因為他釐清了一些事情。 這些影片很重要，因為這件事很重要。 別忘了真正的情況是什麼 我們腦中所持有的模型之下 事物運作的方式。 在影片中，他解釋了電路中的能量 由電場和磁場攜帶 緊緊環繞電路的電線與元件。 那種說法實在是不攻自破 對水動力學模型來說，不是嗎？ 因為如果你只讓那水流動的話 在你腦海中想像一條管道的圖像， 然後你會想，好吧， 所以我從管子這端推水， 推動其旁邊的水。 推動其旁邊的水 直到這段水從管子的另一端滴落出來 而且那部分水可以被用来做功。 如果你唯一擁有的就是這個模型， 那麼你可能會想，電子的情況也是一樣的。 我正在用電壓推動電子。 透過這根電線的另一端， 這會推動其前方的電子。 這會推_rs_前面的電子 直到最後，這些位於末端的電子， 他們可能會被推離電線並開始工作。 但事情不是這樣運作的。 能量由電場和磁場傳遞。 雖然說起來，電子們也挺冤的， 這些電場和磁場屬於電子。 因此，說它是電子也頗為合理。 那些攜帶能量的。 只是它們並沒有互相施加壓力。 以管道中水流的方式 可能會讓你產生這樣的錯覺。 但要提出一個更廣泛的哲學觀點， 就像我們所知的科學中的每一樣東西，都只是模型而已。 連量子力學也只是一個模型。 而且從某種意義上來說是錯誤的 我們知道這並非對宇宙的真實描述 因為它與相對論不相容。 但我們仍然使用量子力學 因為在大多數情況下，它的準確度高得驚人。 因此，你可能會想到管道中的水模型 腦中電路的運作 但重要的是要了解，在那表面之下， 這是電場和磁場 那些攜帶能量的。 但即使如此，那也只是一個模型，對吧？ 我的意思是，從頭到尾都是模型。 但重點是，當你在從事科學研究時， 你選擇最合適的模型 你正在做的事情。 這個機械迴路模型對於直覺理解也很有幫助。 那我們來探討一下其中一些內容。 這是自旋電子學中的電容器等效元件。 你越想轉動它，就越難轉動。 正如同你越試圖強行塞入電荷， 轉換成真正的電容器後，難度就會變得更高。 而且你看，表盤上甚至還有數字呢 所以你可以看出它有多充滿能量。 實際上，這也是一隻電壓表。 因此，這裡的數值單位是伏特。 其實，關於單位，這裡有一點快速說明。 這寫著 100 歐姆，但實際上是 100 旋轉歐姆。 而這就是旋轉電壓。 真正棒的是，它們全都具有類似之處。 真實的事物。 就像我們說這條鏈子的10米一樣 相當於一庫侖的電荷， 然後所有其他值，例如自旋歐姆 還有這裡寫下的電壓和各種數據， 它們全都與真實事物等價。 看看我接上一個電阻會發生什麼情況 以及一個電容器連接到電池。 你可能會認為這些是並行的， 但是看，一旦電容器充電完成， 電流現在正通過電容器兩端流動。 以及電阻。 因為這實際上是一個串聯電路。 那麼，如何利用自旋電子學實現並聯電路呢？ 嗯，你確實需要接頭處。 事實上，節點要複雜得多 自旋電子學中的表現優於電路中的表現。 因為它們非常簡單。 在電路中。 看，這裡有一個路口， 但這是在自旋電子學中的一個節點。 這實際上就像汽車中的差速器一樣。 如果我讓這東西保持不動，這兩樣東西就會移動。 如果我固定這一個，那兩個就會移動。 這意味著無論你施加多少電壓 實際上會從底部的鏈輪出來 對於頂部的兩個鏈輪，情況則相反，反之亦然。 所以記得我之前把兩個電阻串聯的時候， 它們以相同的速率擴展。 正如一個電路一樣， 流經兩個串聯電阻的電流 會是一樣的。 但是看，當我把它們並聯起來時， 較小的電阻器旋轉得快得多。 這正是我們所預期的。 我們預期會有更大的電流流過 通過下方的電阻。 記住，這些電容器也是電壓表。 因此，如果我將一個電壓表與這個電阻並聯， 然後我正在測量電阻兩端的電壓。 這很酷，不是嗎？ 一個交會點令人愉快之處在於 你可以感受到電壓。 就像我握住接合處的上鏈輪一樣 我可以用手指感覺到它正抵著我。 那是電壓。 接合處另一個酷的地方 你可以將它們用作變壓器。 在此電路中，此電阻器已連接 兩次到達交會點 以及這個自由旋轉的組件 固定在剩餘的鏈輪上。 用手為其供電， 我只感覺到一半的阻力， 但電阻器的轉速只有一半。 那是機械優勢。 因此，在自旋電子學中轉換電壓 實際上比在普通電路中簡單得多。 你可以輕鬆地用 DC 來完成。 然而對於電路而言， 你需要交流電。 甚至還有類似電流表的裝置， 顯示電路中電流安培數的裝置 有多少電流流過。 它不會給出讀數。 相反，它給你一個簡報。 在這條邊緣的整個範圍內，都有這些鋸齒狀的結構。 就像我用指甲刮它一樣， 你大概能聽得到。 在這裡，有一道山脊 這與這台留聲機放大器相連。 因此，這東西轉得越快，音調就越高。 如果我把它加到這個電路裡， 這讓你對電流的狀況有個概念。 如果我把它接在這個較小的電阻器上， 音調升高了。 與電容器串聯 當我打開開關時 你可以聽到電流迅速流入電容器的聲音， 但隨著容量逐漸增加而減慢。 在這種設定下， 我可以對電容器進行充電和放電。 使用這兩個開關。 這可能是我最喜愛的組件。 這是一個電感器。 這就是電感器的外觀。 它是一段線圈。 那這些東西其中一個會如何表現呢？ 對我來說，那是一種難以言喻的感受 那並不容易直覺地理解。 如同電感器會抵抗電流的建立一樣， 但一旦有電流流過， 它抵抗電流的減小。 一切都由磁場介導。 但用這種自旋電子學的類比來說， 這一切皆與慣性及動量有關。 這其實非常直觀。 由於這裡的這些重量因素， 很難讓這東西轉起來。 一旦開始旋轉， 很難阻止它。 將電感器連接到電容器 確實能提供一個很好的直覺 關於這兩個組件 以及它們在電路中可能的表現方式。 因為要停止現狀很困難 流經電感器時 它可能會對您的電路造成損壞 如果設計得不好。 事實上，自旋電子學電路也會發生同樣的情況。 這裡有一個開關。 當我打開它時， 電感器接收電力rolley 它最終終於轉動起來了。 然後看著發生的事 當我關掉開關時。 它摧毀了開關。 如果你在電路中遇到這種問題， 然後你並聯一個電阻。 所以現在當我關掉開關時， 電感器可以釋放其能量 通過電阻器。 順便一提，如果電池沒有連接任何東西， 它瘋狂地旋轉著。 這正是發生的情況 如果你將電池的兩端直接連接在一起。 電池將會過熱 由於通過它的電流極大。 裡面有一個類似安全帶的制動裝置 防止對自旋電子電池造成損壞 如果沒有任何東西相連。 或者如果你製作這樣的電路 你突然意識到，什麼都沒附上。 到這個路口的這一部分。 其實，這正好說明了一件相當奇特的事 關於自旋電子學， 其中元件預設為封閉電路。 就像給普通電容器充電一樣 然後將其從電路中移除。 它能保持電荷。 但是看吧，如果我給這顆自旋電子電容器充電 然後放開，就會釋放電荷。 除非一個自旋電子元件 與其他事物相連接。 它可能與自身相連。 這真是太棒了。 這是一個電晶體。 看，目前沒有電流能流過這個底部鏈輪 由於這些卡箍緊壓著那條橡膠環。 但如果我對上方的鏈輪施加一個小電壓， 它會打開這些卡箍，使底部鏈輪得以旋轉。 你可能知道，你可以使用一個電晶體 作為放大器。 因此，這裡施加一個小電壓 可能會導致大量電流從這裡流過。 就在這個電路中。 這裡作為電壓表使用的電容器 顯示電壓的微小變化 我用手指提供的。 此電容式電壓表 顯示出更大倍增的電壓 跨過負載。 你甚至可以製造一個二極體 透過一個接點將電晶體與自身連接。 看，它會朝一個方向旋轉，但不會朝另一個方向。 就像一個二極體。 那麼，讓我們看看能否搭建一些有趣的電路。 這是一個峰值電壓檢測器。 所以我可以用手手動施加電壓 這個電容器與電壓表 正在顯示電壓。 但這個電容式電壓表 正在顯示峰值電壓。 由於這對元件的作用如同二極體， 電容器在我放開這裡的時候不會放電。 這一切最出色之處在於 我能感受到它正在發生。 這真的非常直觀。 自旋電子學實際上配備了專用的二極體元件。 好了，這裡是電路的簡化版本。 二極體透過一個簡單的棘輪機制運作。 你可以朝一個方向轉動它，但不能朝另一個方向。 這是一個高通濾波器。 所以我可以發送一個電壓信號 用手轉動這東西，將其接入電路。 我可以高頻率地完成它。 我可以在低頻率下完成。 而且高通濾波器會濾除 低頻信號， 留下高頻信號。 但它是如何做到的呢？ 好吧，這是一個電感器，而且是並聯的。 你可以把電感器視為短路。 對於低頻率和直流電。 畢竟，DC 只是極低頻率而已。 所以如果我用一個恆定的力試著轉動這個東西， 一旦電感器啟動旋轉， 那麼基本上就是短路了 而且那種直流信號不會傳到電流表上。 電感器有點像電路中的斷路器。 針對高頻信號。 所以如果我快速地前后移动這東西， 然後我們就會在電流計上聽到它 因為它對電感器的影響不大。 要製作一個低通濾波器， 你用電容器取代電感器。 電容器對於高頻率而言，就像是短路一樣。 但是一個低頻段的電路斷路器。 這是一個振盪電路。 如果你有任何需要冷氣的地方， 在你的自旋電子學世界裡，有一個有趣的故事。 當我十八歲時，我寫了一篇科學論文 並成功發表於期刊上。 聽起來比實際情況更令人印象深刻。 當時，我的物理老師帕金森先生 說了類似這樣的話：你知道你想到的那個主意嗎？ 我或許可以把它出版 物理教育期刊 他們有這個區塊，用於學生提交作品。 所以事情的真相就這樣，但我還是喜歡告訴別人 我在十八歲時發表了一篇論文。 但這個概念是，如果你有一個充電的電容器 並直接將其連接起來 等效於一個未帶電的電容器， 然後一半的電荷將會從帶電電容器中流出 最後會出現在未充電的電容器上。 他們彼此達到平衡。 令人驚訝的是，如果你計算一下能量 在那兩個電容器連接之後 你的能量正好是之前的半數。 但那股能量去了哪裡？ 我突然想到，不如別去想電容器了， 想想水箱。 所以你有一個裝滿水的水箱 還有一個是空的， 而且它在底部通過一根管道連接。 當你打開那根管子時，水將從滿的水箱中流出。 直到兩者相等為止。 但實際上由於動量的關係， 會出現超調 第二個油箱的油位會略高於一半。 然後它會再次放鬆下來 它將往復振盪 直到兩者中的水量相等為止。 但每次水浪前后晃動時， 它會因摩擦而失去能量， 那就是能量的去向。 電路中的電子沒有動量 有意義地 但電容器之間的導線 確實存在雜散電感。 所以我想要看看同樣的事情 自旋電子學將會如何發展。 如果我給一個電容器充電後，再將它連接到另一個電容器上， 他們會往後又往前振盪嗎 直到它們的電荷都變成一半為止？ 而且僅僅依靠雜散電感是否可行？ 自旋電子學中？ 看，他們走啦。 它們確實會往復振盪。 不會太久，因為數量還算可觀 自旋電子學中的雜散電阻也是一樣。 但能獲得1997年論文的認可，感覺很好。 全橋整流器怎麼樣？ 我們可以做一個嗎？ 全橋整流器將交流電轉換為直流電 四個二極體，如您在此處所見。 當我在此處提供交流電時，負載處就會得到直流電。 並不是很順暢。 但你只需加上幾個電容器就能解決這個問題。 我只有兩個二極體， 這就是我為何在模擬中向你展示的原因。 但幸運的是，隨著自旋電子學的發展， 你只需兩個二極體就可以組成一個全波整流電路。 你之所以能用自旋電子學實現這一點， 但不是與一般的電路相同 是因為自旋電子學的緣故， 改變電流的方向其實非常簡單。 這不在一般的電路中。 根據您連接節點的方式不同， 你可以改變電流流動的方向。 計算呢？ 我們可以用它來建造某種電腦嗎？ 好吧，看，這是一隻翻轉鞋。 當我打開這個開關時，電壓表就會顯示讀數。 但當我把它關掉時，電壓表仍然顯示。 此開關將電壓表恢復至零位。 因此我可以在这两者之間來回切換。 這是一個異或邏輯閘。 如果開關一打開，電流計就會有讀數。 如果開關二處於開啟狀態，電流表就會有讀數。 但如果兩個開關都打開，我們就不會這樣。 那麼我們也許可以用這些材料來建造一個二進位加法器。 就像我之前做我的水電腦影片那樣。 如果我終於讓它運作起來，我會再發一篇後續文章。 但在這段時間裡，有什麼我漏掉的嗎？ 有一個真的很酷的電路嗎 你希望用自旋電子學實現什麼樣的技術？ 請在評論中告訴我。 感謝 Spintronics 的 Paul 感謝他為這支影片提供的所有幫助。 並感謝帕金森先生 只是一位傑出的物理老師而已。 希望您喜歡這段影片。 如果你這麼做了，別忘了按讚訂閱。 而且這個演算法認為你會喜歡接下來這段影片。