物理计算基础:电学与购物指南
1. 电学基础
在物理计算中,能量转换是一个重要的概念,尤其是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量,也就是“换能”。从高层次来看,是将参与者的意图转化为行动;从低层次来看,是将人体施加的物理能量转化为电能,以便计算机能够感知,或者将计算机输出的电能转化为运动、光、热等其他形式的能量。而这一切换能过程的核心就是电能,因此了解电的工作原理是实现各种功能的必要条件。
所有的电气和电子设备都利用了电子从高电能点流向低电能点的特性。我们需要提供一个正连接(高能量,即电源)、一个负连接(低能量,即接地)以及一个电子流动的导体。当完成这些设置后,电子就会从电源流向接地端。在这个过程中,我们可以插入各种电气设备来引导电子完成特定的任务。
电能总是沿着电阻最小的路径流向接地端。导体越好,电子流动就越容易。地球本身是电能最低的点,这就是“接地”这个术语的由来。如果积累了足够的电能,电子甚至可以通过空气等导体流动,闪电就是云层中积累的电能通过空气流向地面的现象。
一个电路是一个包含电源(如电池)和负载(如灯泡)的闭合回路。在一个简单的电路中,电能从电池的正极通过导线流向灯泡,再从灯泡流回电池的负极。灯泡会阻碍电能的流动,将其转化为光和热。在设计良好的电路中,所有的电能都会被灯泡、加热器等设备转化为其他形式的能量。
为了将人类的行动纳入电路,我们可以添加一个开关。开关是电路中的一个断点,它可以阻止电子流动。当闭合开关时,断点被闭合,电子就可以继续流动。
每个电路组件都有特定的电气特性。例如,电池可以提供一定量的电能,灯泡可以承受一定量的电能。如果提供的电能不足,灯泡内的灯丝就不会发热发光;如果提供的电能过多,灯丝
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