计算机系统 001- 电学概念

一直想写点内容，但愿囊括计算机系统从底层硬件到操做系统，乃至网络相关知识，但苦于才疏学浅，无力提笔。所以尝试着先根据现有知识慢慢搭建一个框架，完成自我知识图谱。这个系列全部文章的主题都围绕计算机内部运做原理，我没有各你们的实践经验，只能是从现有知识库中不断学习、总结、思考。纸上得来终觉浅，望共同进步。

废话讲完，提出第一个概念。未必精确，可是文章的前提。

发明

相信本文的读者都应该知道发明和发现的区别。

发明是一种独特的、创新的有形或无形物，或是指其开发的过程。能够是对机械、装置、产品、概念、发明的创新或改进。这里最重要的一个关键词是创新。

创新是指以现有的思惟模式提出有别于常规或常人思路的看法为导向，利用现有的知识和物质，在特定的环境中，奔着理想化须要或称为知足社会需求，去改进或创造出新的事物、方法、元素、路径、环境，并得到必定有益效果的行为。

白纸黑字，清清楚楚，发明的一种是创新，创新将利用现有知识和物质。这就是为何我要以电学知识做为系列的开篇，由于并非先发明了计算机，才以为须要发明一种电的东西来供其内部运转。偏偏相反，正是由于电学知识、硬件工艺、天然科学等发展到必定阶段，才有某一我的，站在你们的肩膀上，发明了计算机。

只有现将这个概念铭记于心，才能以正确的视角去考虑内部实现技术。总有人问，为何不以更好的技术来实现某一律念？为何不以更高的思想来设计某一内容？不为何，只是由于当时全部知识储备、技术发展所限。

什么是电

物质形态

全部肉眼可见的物质都是由分子构成，分子则由原子组成，原子进一步由相互做用的原子核（质子和中子）和电子云（电子）组成。常见的物质状态有以下三种：

• 固态
  

  

• 液态
  

  

• 气态
  

  

以水为例，温度变化时能够再固态、液态、气态相互转换，其内部原子数量并未改变，改变的仅仅是原子间排列方式。

原子结构

原子结构

如上图所示，原子中原子核由质子和中子构成，外部坏绕这电子组成的电子云。现代原子理论认为，质子的带电量是一个单位的正电荷，电子是一个单位的负电荷，中子不带电。事实上，中子数只决定了该原子是这种元素的哪种同位素，与电子无关，所以这里不作讨论。

电子和质子是经过电磁力相互吸引的，对于电磁力，咱们这里并不深究，只要当作是一种力便可。这种力将电子束缚在一个环绕原子核的静电位势阱中，要从这个势阱中逃逸则须要外部的能量。一样的，所谓静电位势阱也并不须要深刻研究，除非你感兴趣，这里直接当作一个轨道便可。

这里的重点是，逃逸须要外部的能量，而外部的能量必然是要能使分子更加活跃的能量。布朗运动告示咱们，温度越高时，粒子的运动越活越。换言之，若是可以经过加热方式提供额外的能量供电子逃逸，那么加热是可能引发电子流动的。

电流

电流是电荷的移动，前面提到电子带有一个单位的负电荷，也就是说电子的移动造成了电流，电流方向与电子运动方向相反。咱们如今都知道电流都是从正极流向负极的，也就是说电子其实是从负极流向正极的。

不一样物质甚至同一物质的不一样形态下，原子核对电子的吸附能力是不一样的，也就是说，电子在不一样物体中穿梭移动时，所遇到的阻力也是各不相同的。这就是电阻的由来。电阻能够从0到无穷大，对应的也能够将物质分为以下三类：

• 绝缘体
• 半导体（知足特定条件下表现近似为导体，不然表现近似为绝缘体）
• 导体

如上所述，电子是从负极流向正极，而生活中正常物体是不带电的（内部电荷均衡，质子和电子数相等）。假使咱们将一根电阻为0（实际上没有这种导线）的导线两端相连，这时导线内部并不会造成电流，由于没有电子会第一个移动，你们都很稳定。假如可以剥动第一个电子，那么这个电子会与相邻原子中电子相撞，根据能量守恒定律，这个电荷将依次传递，造成电流，循环往复，永不停息。

然而事实上找不到电阻为0的导线，电流移动过程当中必定会被导线消耗一部分能量，转换为热能，直到耗尽。一样的，也必须经过引入具备电势差的电池提供额外的能量来驱使电子流动，造成电流。

直流电与交流电

进一步以前，先讲一下电池的原理。电池其实是电容，即电容器。

历史上人们从天然现象中发现电，如静电、闪电，但不可能每次使用电都须要等待闪电的来临，所以必须先存储起来。存储使用到的容器就是电容器是两金属板之间存在绝缘介质的一种电路元件。它利用两个导体之间的电场来存储能量，两个导体所带的电荷大小至关，符号相反。

放电时，电容提供恒定（或逐渐衰弱）大小的电流，也称为直流电。

一开始，直流电是能知足实验场景要求的，但到了远距离传输时，随着导线距离的增加，总电阻增大，能量消耗剧增，同时抵到用户的电压也远不如发送端电压值。这时，交流电闪亮登场了。

交流电的由来须要基于电磁感应现象的发现：

• 导线通电时，会在其周围产生微弱磁场
• 磁场中，使用导线切割磁感线时，会产生微弱电流

基于此，发电机的结构以下，无论转动的是磁铁仍是导线，其核心目的都是切割磁感线。

大部分交流发电机都是圆周运动的，由于圆周运动适合水力、风力等天然力的利用，同时也能最大面积铺设导线进行切割动做。也由于如此，交流发电机产生的电流成正弦波形状。

变压器

既然有了直流电的前车可鉴，那么交流电就应当尽力避免高损耗引发的电压不足。一样仍是基于电磁感应，发明了变压器。

变压器由两组线圈组成，其中一组线圈通电时，会在其周围产生磁场，而另外一端的线圈将此转换为电，产生电流。电压与线圈杂书成正比，能够理解为线圈越多，电子密度越大，产生电流越大。

升压后，根据欧姆定律，导线自身功率大幅减少，所消耗能量也随之下降。

接入用户前，经过变压器降压为电器匹配的电压便可。

电感

变压器发明过程当中，出现了一个现象，当只有一组线圈时，通断电瞬间会出现极大电流。这种现象称为自感。自感的来源实质上是由于电荷移动速度很快，致使电流速度也很快，电转磁所产生的磁场也急剧变化，变化同时，会切割自己线圈，产生感应电流。因为全部变化都很是快，根据法拉第电磁感应定律计算可得，瞬时电动势将会十分巨大。

总结

本篇主要介绍了电学相关基础知识，对后续章节的理解会起到理论支撑的做用。若有须要，会继续补充内容至该篇中。