电是如何工作的？让我们揭开改变生活的物理学的神秘面纱。

对于外行来说，电可能看起来像是一种隐藏的魔法。它遵循着我们无法用眼睛感知的物理定律。

但我们的生活大部分都离不开电。任何经历过停电的人都知道停电有多不方便。从更广阔的层面来看，很难低估电力对于现代社会运作的重要性。

伊利诺伊州阿贡国家实验室的电网研究员马克·佩特里表示：“如果停电，我就失去电信、金融部门和水处理。我无法挤牛奶，也无法冷藏食物。”

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这使得了解电如何工作、从哪里来以及如何进入我们的家庭变得更加重要。

电是如何工作的？

我们所知的宇宙由四种基本力支配：强核力（将原子内的亚原子粒子结合在一起）、弱核力（引导某些类型的放射性）、引力和电磁力（支配电和磁之间内在联系的概念）。

电磁学的一个主要原则是，构成宇宙的亚原子粒子可以带正电荷或负电荷。要将它们用作能量，我们必须让它们以电流的形式流动。地球上的电主要来自带负电荷的电子的运动。

但要保持电子流动，需要的不仅仅是电荷。粒子在遇到障碍物（例如相邻原子）之前不会走太远。这意味着电力需要一种原子中含有松散电子的材料，这些电子可以被击落以保持电流流动。这种材料被称为导体。大多数金属都具有导电性，例如形成许多电线的铜。

另一种材料称为绝缘体，电子结合更紧密，不易移动。大多数电线外的塑料是绝缘体，这就是为什么当你触摸电线或插头时不会受到严重的电击。

一些科学家和工程师认为电有点像流过管道的水。在给定时间内流过一段管道的水量相当于流过特定导线的电子数量，科学家用安培来测量。帮助推动流体通过的水压就像电压。当你将安培乘以伏特时，你计算出的功率或每秒流过导线的能量，电工用瓦特来测量。那么，微波炉的瓦数大约就是它每秒使用的电能量。

电子如何通过电线传输电压

根据电磁定律，如果导线被磁场捕获，并且磁场发生变化，导线中就会产生电流。这就是为什么世界上大部分电力都来自发电机，发电机通常是旋转的磁性装置。当发电机旋转时，它会通过缠绕在它周围的导线发出电流。

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为整个城市供电需要一台巨型发电机，其大小可能与一栋建筑相当。但发电机发电需要能量。在大多数化石燃料和核电厂中，燃料源将水煮沸成蒸汽，从而推动涡轮机旋转各自的发电机。水力发电机和风力发电机利用自然界自身的运动，改变水或阵风的方向来旋转。而太阳能电池板的工作原理不同，因为它们根本不需要移动磁铁。当光照射到太阳能电池上时，它会激发材料原子内的电子，使它们以电流的形式流出。

电压高、电流少的传输能量更容易。因此，长距离输电线使用数千伏电压将电力从发电厂输送出去。这对大多数建筑物来说太高了，因此电网依靠变电站降低普通插座和家用电子产品的电压。北美建筑物通常将电压设置为 120 伏；世界上大多数其他地方的电压在 220 至 240 伏之间。

电流也不是单向流动的，而是不断地来回切换方向，工程师称之为交流电。这使它能够传输长达数千英里的距离。北美电线每秒从一个电流方向切换到另一个方向 60 次。在世界其他地方，特别是在欧洲和非洲，它们每秒来回交替 50 次。

这样电流就会流到您建筑物的断路器箱。但这些电能实际上是如何流到您的电子设备的呢？

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为了保持电流的连续流动，系统需要完整的电路。各地的建筑物都采用不完整的电路。两孔插座包含一根“火线”和一根“零线”。当您插入灯、厨房电器或手机充电器时，您就完成了该电路，让电流从火线流过设备，再通过零线返回以传输能量。

换句话说，如果你把手指伸进带电的插座，你的身体就会暂时接通电路（有点痛）。

电力的未来

不久前，电力还是一种奢侈品。20 世纪 90 年代末，全球近三分之一的人口生活在没有电力供应的家庭中。自那以后，我们已将这一比例削减了一半以上，但近 10 亿人（主要集中在撒哈拉以南非洲）仍然没有电。

从历史上看，几乎所有电力都来自大型发电厂，最终流向家庭和企业。但向可再生能源的过渡正在改变这一过程。平均而言，太阳能和风力发电厂比庞大的燃煤电厂和水坝要小。在阴雨天和无风天，巨型电池可以用储存的电力为它们提供支持。

佩特里说：“我们已经看到的以及我们未来可以预见看到的是电网的重大变革。”

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我们围绕电力建设的基础设施对地球和人类的健康都有重大影响。2020 年，与排放_二氧化碳的化石燃料相比，全球只有 39% 的电力来自核能和水力等清洁能源。

幸运的是，我们有足够的理由保持乐观。根据某些数据，太阳能现在是人类历史上最便宜的能源，风能紧随其后。此外，越来越多的公用事业用户正在安装屋顶太阳能电池板、太阳能发电机、热泵等。“人们的家不仅仅是从电网获取电力，”佩特里说。“他们把电力回馈给电网。这是一个复杂得多的系统。”

电的定律不会因我们选择从哪里获取电流而改变。但我们对如何使用电力的决定所产生的后果却很重要。