計算機系統 001- 電學概念

一直想寫點內容，但願囊括計算機系統從底層硬件到操做系統，乃至網絡相關知識，但苦於才疏學淺，無力提筆。所以嘗試着先根據現有知識慢慢搭建一個框架，完成自我知識圖譜。這個系列全部文章的主題都圍繞計算機內部運做原理，我沒有各你們的實踐經驗，只能是從現有知識庫中不斷學習、總結、思考。紙上得來終覺淺，望共同進步。

廢話講完，提出第一個概念。未必精確，可是文章的前提。

發明

相信本文的讀者都應該知道發明和發現的區別。

發明是一種獨特的、創新的有形或無形物，或是指其開發的過程。能夠是對機械、裝置、產品、概念、發明的創新或改進。這裏最重要的一個關鍵詞是創新。

創新是指以現有的思惟模式提出有別於常規或常人思路的看法爲導向，利用現有的知識和物質，在特定的環境中，奔着理想化須要或稱爲知足社會需求，去改進或創造出新的事物、方法、元素、路徑、環境，並得到必定有益效果的行爲。

白紙黑字，清清楚楚，發明的一種是創新，創新將利用現有知識和物質。這就是爲何我要以電學知識做爲系列的開篇，由於並非先發明瞭計算機，才以爲須要發明一種電的東西來供其內部運轉。偏偏相反，正是由於電學知識、硬件工藝、天然科學等發展到必定階段，纔有某一我的，站在你們的肩膀上，發明了計算機。

只有現將這個概念銘記於心，才能以正確的視角去考慮內部實現技術。總有人問，爲何不以更好的技術來實現某一律念？爲何不以更高的思想來設計某一內容？不爲何，只是由於當時全部知識儲備、技術發展所限。

什麼是電

物質形態

全部肉眼可見的物質都是由分子構成，分子則由原子組成，原子進一步由相互做用的原子核（質子和中子）和電子雲（電子）組成。常見的物質狀態有以下三種：

• 固態
  

  

• 液態
  

  

• 氣態
  

  

以水爲例，溫度變化時能夠再固態、液態、氣態相互轉換，其內部原子數量並未改變，改變的僅僅是原子間排列方式。

原子結構

原子結構

如上圖所示，原子中原子核由質子和中子構成，外部壞繞這電子組成的電子雲。現代原子理論認爲，質子的帶電量是一個單位的正電荷，電子是一個單位的負電荷，中子不帶電。事實上，中子數只決定了該原子是這種元素的哪種同位素，與電子無關，所以這裏不作討論。

電子和質子是經過電磁力相互吸引的，對於電磁力，咱們這裏並不深究，只要當作是一種力便可。這種力將電子束縛在一個環繞原子核的靜電位勢阱中，要從這個勢阱中逃逸則須要外部的能量。一樣的，所謂靜電位勢阱也並不須要深刻研究，除非你感興趣，這裏直接當作一個軌道便可。

這裏的重點是，逃逸須要外部的能量，而外部的能量必然是要能使分子更加活躍的能量。布朗運動告示咱們，溫度越高時，粒子的運動越活越。換言之，若是可以經過加熱方式提供額外的能量供電子逃逸，那麼加熱是可能引發電子流動的。

電流

電流是電荷的移動，前面提到電子帶有一個單位的負電荷，也就是說電子的移動造成了電流，電流方向與電子運動方向相反。咱們如今都知道電流都是從正極流向負極的，也就是說電子其實是從負極流向正極的。

不一樣物質甚至同一物質的不一樣形態下，原子覈對電子的吸附能力是不一樣的，也就是說，電子在不一樣物體中穿梭移動時，所遇到的阻力也是各不相同的。這就是電阻的由來。電阻能夠從0到無窮大，對應的也能夠將物質分爲以下三類：

• 絕緣體
• 半導體（知足特定條件下表現近似爲導體，不然表現近似爲絕緣體）
• 導體

如上所述，電子是從負極流向正極，而生活中正常物體是不帶電的（內部電荷均衡，質子和電子數相等）。假使咱們將一根電阻爲0（實際上沒有這種導線）的導線兩端相連，這時導線內部並不會造成電流，由於沒有電子會第一個移動，你們都很穩定。假如可以剝動第一個電子，那麼這個電子會與相鄰原子中電子相撞，根據能量守恆定律，這個電荷將依次傳遞，造成電流，循環往復，永不停息。

然而事實上找不到電阻爲0的導線，電流移動過程當中必定會被導線消耗一部分能量，轉換爲熱能，直到耗盡。一樣的，也必須經過引入具備電勢差的電池提供額外的能量來驅使電子流動，造成電流。

直流電與交流電

進一步以前，先講一下電池的原理。電池其實是電容，即電容器。

歷史上人們從天然現象中發現電，如靜電、閃電，但不可能每次使用電都須要等待閃電的來臨，所以必須先存儲起來。存儲使用到的容器就是電容器是兩金屬板之間存在絕緣介質的一種電路元件。它利用兩個導體之間的電場來存儲能量，兩個導體所帶的電荷大小至關，符號相反。

放電時，電容提供恆定（或逐漸衰弱）大小的電流，也稱爲直流電。

一開始，直流電是能知足實驗場景要求的，但到了遠距離傳輸時，隨着導線距離的增加，總電阻增大，能量消耗劇增，同時抵到用戶的電壓也遠不如發送端電壓值。這時，交流電閃亮登場了。

交流電的由來須要基於電磁感應現象的發現：

• 導線通電時，會在其周圍產生微弱磁場
• 磁場中，使用導線切割磁感線時，會產生微弱電流

基於此，發電機的結構以下，無論轉動的是磁鐵仍是導線，其核心目的都是切割磁感線。

大部分交流發電機都是圓周運動的，由於圓周運動適合水力、風力等天然力的利用，同時也能最大面積鋪設導線進行切割動做。也由於如此，交流發電機產生的電流成正弦波形狀。

變壓器

既然有了直流電的前車可鑑，那麼交流電就應當盡力避免高損耗引發的電壓不足。一樣仍是基於電磁感應，發明了變壓器。

變壓器由兩組線圈組成，其中一組線圈通電時，會在其周圍產生磁場，而另外一端的線圈將此轉換爲電，產生電流。電壓與線圈雜書成正比，能夠理解爲線圈越多，電子密度越大，產生電流越大。

升壓後，根據歐姆定律，導線自身功率大幅減少，所消耗能量也隨之下降。

接入用戶前，經過變壓器降壓爲電器匹配的電壓便可。

電感

變壓器發明過程當中，出現了一個現象，當只有一組線圈時，通斷電瞬間會出現極大電流。這種現象稱爲自感。自感的來源實質上是由於電荷移動速度很快，致使電流速度也很快，電轉磁所產生的磁場也急劇變化，變化同時，會切割自己線圈，產生感應電流。因爲全部變化都很是快，根據法拉第電磁感應定律計算可得，瞬時電動勢將會十分巨大。

總結

本篇主要介紹了電學相關基礎知識，對後續章節的理解會起到理論支撐的做用。若有須要，會繼續補充內容至該篇中。