电力是如何工作的？|《大众科学》

对于初学者来说，电力可能看起来像是一种隐藏的魔法。它遵循我们肉眼无法直接感知的物理定律。

但我们的大部分生活都依赖于电力。任何经历过停电的人都知道它有多么不方便。从更宏观的角度来看，我们无法低估电流的流动对于驱动现代社会运转的重要性。

“如果我失去电力，我就失去了电信。我失去了金融业。我失去了水处理。我无法挤牛奶。我无法冷藏食物，”伊利诺伊州阿贡国家实验室的电网研究员 Mark Petri 说。

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因此，了解电力是如何工作的，它从哪里来，以及它如何到达我们家就变得更加重要了。

电力是如何工作的？

我们所知的宇宙受四种基本力的支配：强核力（将原子内部的亚原子粒子结合在一起）、弱核力（控制某些类型的放射性）、引力，以及电磁力（支配着电力和磁力这两个内在关联的概念）。

电磁学的一个关键原则是构成宇宙的亚原子粒子可以带有正电荷或负电荷。要将它们用作一种能源，我们必须使它们作为电流流动。地球上的电力主要来自带负电的电子的运动。

但要让电子持续流动，仅仅有电荷是不够的。粒子在遇到障碍物（如相邻原子）之前不会走多远。这意味着电力需要一种其原子具有松散电子的材料，这些电子可以被击落以保持电流的流动。这种材料被称为导体。大多数金属都具有导电性，例如构成许多电线的铜。

其他材料，称为绝缘体，其电子束缚得更紧，不易被推动。包裹大多数电线的塑料就是一种绝缘体，这就是为什么您触摸电线或插头时不会受到严重电击的原因。

一些科学家和工程师将电力比作水流过管道。在给定时间内流过管道部分的水量相当于流过特定电线的电子数量，科学家用安培来衡量。帮助推动流体流动的水压就像是电压。当您将安培数乘以伏特数时，您就可以计算出每秒通过电线的功率或能量，电工以瓦特来衡量。因此，您微波炉的功率大约是它每秒使用的电能量。

电子如何通过电线传输电压

根据电磁学定律，如果一根导线被置于一个磁场中，并且该磁场发生变化，它就会在导线中感应出电流。这就是为什么世界上大部分电力都来自于发电机，发电机通常是旋转的磁性设备。当发电机旋转时，它会将电流射入缠绕在其周围的电线中。

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为整个城市供电需要巨大的发电机，可能和一座楼一样大。但是，从发电机产生能量也需要能量。在大多数化石燃料和核能发电厂中，燃料会将水煮沸成蒸汽，蒸汽会使涡轮机旋转，从而驱动各自的发电机。水电和风力发电机利用大自然的运动，通过引导水流或风力来驱动旋转。而太阳能电池板的工作原理不同，因为它们完全不需要移动的磁体。当光线照射到太阳能电池上时，它会激发材料原子内的电子，导致它们以电流的形式流出。

用高电压和低电流更容易传输能量。因此，长距离输电线路使用数千伏特的电压将电力从发电厂输送出去。这对于大多数建筑物来说太高了，所以电网依靠变电站来降低电压，以供普通插座和家用电器使用。北美建筑物的电压通常设置为120伏；世界其他大部分地区使用220至240伏。

电流也不是单向流动的——它会不断地来回切换方向，工程师称之为交流电。这使得它能够传输长达数千英里的距离。北美的电线每秒会切换60次电流方向。在全球其他地区，特别是欧洲和非洲，它们每秒交换50次方向。

这样，电流就到达了您建筑物的配电箱。但是，电力究竟是如何到达您的电子设备的呢？

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为了保持电流的持续流动，一个系统需要一个完整的电路。各地的建筑物都布满了不完整的电路。一个双孔插座包含一根“火线”和一根“零线”。当您插入台灯、厨房电器或手机充电器时，您就完成了电路，使电力能够从火线流出，通过设备，再通过零线返回，从而输送能量。

换句话说，如果您将手指插入带电插座，您就是在用身体（痛苦地）暂时完成电路。