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作者：火星科学知识局译者：猫斯图 高级顾问：陈勇
绘制地图：孙绿 / 撰稿：果汁泡
网络上盛传一个硬核梗：耳朵灵敏的音乐大师能够在中国的各个角落从音响里听出不同的声音效果。而究其原因，则是因为中国各地的电力作者不一样，从火电、水电、核电甚至到不太稳定的垃圾焚烧、太阳能、风电等，都会对音质造成不同的影响。
耳朵如此敏感的音乐大师很难找，而且各家说法不一，这个传言也就很难证实或者证伪。但这个传言里至少有一点是真的：幅员辽阔的中国各地，确实有各种发电的方法，并且潜移默化地影响着中国民众的生活。
核电站好像都长这样
生活在现代社会，享受着电力带来的巨大福利，我们应该对这些技术有一点基本的了解。所以今天我们有幸请到了著名的物理学家陈勇教授，来从物理学的角度看看各种中国人擅用的各类发电技术基本原理。
电力是怎么来的？
电力的出现，改变了人类的格局。所谓第二次工业革命，主要标志是电力进入我们的生活。
电力在中国的普及是不久前的事情。今天，我们已经适应了电力驱动的生活：照明、冰箱洗衣机空调、电脑手机……电动汽车不久的未来也会普及。当然，更多的电力是用在工业上。
可是，你有没有想过，中国的电力都是用什么方式发出来的？电力的不同作者的道理是什么？以及每到冬天被人们吐槽的发电带来雾霾，究竟是如何实现的？
回答第一个问题比较简单。中国电力作者主要是火力发电、水力发电、风力发电和核电，占比分别为：火电接近75%，水电不到18%，风电约为4%，核电不到4%。
中国最大电厂
二滩水电站（以装机容量算）
回答第二个问题略为复杂一些，上面提到的火力也好，水力也好，都是将别的形式的能量变成电能，然后再输送出去或储存起来。所以，发电机就变得最为重要。有了发电机，别的形式能源可以通过先变成推动发电机的机械能，然后发电机就派上用场了。
要搞清楚电是怎么发出来的，我们第一步要先搞懂发电机的基本原理。
首先，我们来讲一下最简单发电机的构造：一台圆筒形的机器，最里面是可以转动的东西，叫转子，是用磁铁做的；转子的外面是固定的一些线圈，叫定子；然后就从定子接出的电线。当机械的力量驱动转子转动时，转子的磁场在定子中产生了电流。
两块磁铁产生磁场
中间的金属线圈不断旋转
就能产生电流
转子因为转动，对于固定的线圈来说，转子的磁场是不断变化的。这种用变化磁场产生电力的基本原理，正是英国大物理学家法拉第发现的。这个基本原理有个名字，叫电磁感应基本原理。法拉第是在1831年做出了这个改变人类的发现，第二年，法国人就发明了发电机。
那么，电磁感应现象又是怎么回事呢？做一个简单的小实验：拿一个电线做成线圈，然后，拿一个磁铁穿过这个线圈，你会发现，线圈会短暂地出现电流。相信很多人在中学的时候都做过这个实验。
黄色的金属棒在磁场中左右摇摆
就能产生电流
神奇不神奇？
线圈为什么会出现电流？因为出现了电场，推动了线圈中的电子。磁铁穿过线圈时，线圈附近的磁场发生了变化。
我们将法拉第发现的定律概括如下：当磁场发生变化时，电场就会产生。电磁感应现象这个名称也就好理解了，磁场电场互相感应。
在法拉第发现电磁感应现象之前，法拉第亲手发明了电动机。电动机是用电力驱动机械，我们的家庭电器中到处都是电动机。电动机的工作基本原理是基于另一个电磁现象的基础上，也就是电流会产生磁场，正好和发电机基本原理相反。这个我们按下不表。
当然，发电机比电动机更重要，因为有了它我们可以将寻常的能源变成电力，而电力更易于输送和保存。
既然变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，这样电场磁场互相感应，就有了电磁波。
电磁场这个概念在20世纪有了极大的推广，世界上最基本东西的就是场，电子有对应的电子场，中微子有对应的中微子场，引力有对应的引力场……
几种发电方法的基本原理
扯远了，我们回到电力这个话题上来。
前面说了，在中国的电力生产中，火电占了大头。那么，火电是怎么来的？很简单，烧煤啊什么的。煤炭燃烧可以用来烧水产生水蒸气，水蒸气通过蒸汽机又来推动发电机。
煤炭燃烧虽然是常见的现象，但大多数人好像不晓得它的基本基本原理，所以我们先介绍一下这个。
有一种暴露年龄的幸福
叫烧煤取暖
煤炭的主要成分是元素碳，碳在一定温度下和空气的氧发生反应变成二氧化碳，同时，有热量释放出来。这种经过化学反应释放的能量通常叫化学能。化学能是最常见的能量，我们吃饭消化的过程中也会产生能量和储存能量，这也是化学能。当然，煤炭在燃烧的过程中也会产生其他气体，例如二氧化硫和氮氧化物，这是很多空气污染的作者。
非常复杂的示意图
但其实相比正式的工艺图
这已经很简单了
提前说一下核能。核能不同于化学能，这是原子核裂变或聚变产生的能量。不同的原子核的能量不同，这些能量要比原子中的电子能量大得多，所以核反应释放的能量一般是化学能的百万倍。举个例子，中国的大亚湾岭澳核电站年发电量大约是20亿亿焦，若中国的电力全部来自核电，我们有大约200个这样的核电站就够用了。
其实和火电的后部结构差不多
只是汽轮机的动力核心是核反应堆的温度
不是煤炭燃烧的温度
接着是水力发电，这个基本原理更简单，水从上游流到下游，自带能量。将水蓄到一定落差高度，落下来的水驱动水力发电机，这就是水电。
风力发电类似，用风驱动风力发电机。
水哗哗地往低处流
水轮机被带着转
发电机里的线圈就能在磁场力转了
最后，光能就有点不同了，光能电板是利用光电效应来产生电能的。那么，什么是光电效应？
物理学家在做实验时发现了一个现象：用光照射金属就可以从其内部打出电子。这并不奇怪。光可以把自身的能量传递给电子，使它获得足够的能量从而逃脱金属原子对它的束缚。但奇怪的是，这种现象依赖于光的频率。在一定频率之上的光，只要一照就可以从金属中打出电子；而在此频率之下的光，无论照多长时间也无法把电子打出来。
这是怎么回事？
爱因斯坦说，这是由于光本身并不连续，而是由一个个叫光子的微粒组成的。光子的能量取决于光的频率，频率越高，光子的能量就越大。
为什么用光子能解释光电效应？很简单。如果一个光子的能量比较大，它传递给电子的能量也比较大，只要这个能量大到足以挣脱金属原子的束缚，电子就会立刻从金属里跑出来。但如果光子的能量比较小，它传递给电子的能量也比较小，要是这个能量一直小于逃出去所需要的最低能量，电子就得一直被束缚在金属内部。
爱因斯坦提出的这个概念很好地解释了光电效应，而且不仅解释了实验现象，还可以用来计算。比如，我们可以通过公式计算出要打出一束光所使用的电流大小。
光具有波粒二象性
作为粒子一面的光子
像女人一样不可捉摸
拥抱物理新世界
正是利用了这形形色色的物理基本原理，科学家和工程专家才设计出了各种可以用于发电的设备，为亿万中国家庭带来夜间的光明与温暖。
这让局长不由得感叹，虽然前一阵由于某些明星偷漏税事件曝光了巨量的收入，引发了互联网上人们对科研人员薪资待遇不公的哀叹。但其实大家并不真的晓得这些科研人员究竟在做什么。他们的工作，由于涉及旁人看来复杂难懂的物理学科学知识，而经常不为人所知，在社会认知度和待遇问题上滞后也实属正常。
同样地，一个生活在现代社会，却因为专业选择等问题而没有能够学到更多物理科学知识的人，其实也相当于现代文盲，不仅容易被各种新概念公司割韭菜，还有被人工智能取代低复杂度工作的危险。
今天我们邀请陈勇教授对中国发电现状，和这些发电手段基本原理做了一些简单的解释。但是由于篇幅有限，很多基本原理都没有能够展开，说不定还勾起了你更多的兴趣和疑问。物理科学知识的大门，其实此时就向你敞开了。
这次我们和擅长求知的知乎大学合作，为陈勇教授的新课程《淼懂物理学：理解世界的极简指南》准备了一个入口。今天为你解释了发电基本原理的陈勇教授，会在这里等你，把物理世界的秘密亲口相授。
除了详解今天我们在文中介绍过的这些内容以外，陈勇教授还会在他的物理课堂上介绍相对论和量子物理学的科学知识。李教授可是刘慈欣大力推荐的科普作家，其语言平实专业在刚才的文章中也有所体现。在他的带领下，能够让你第一次系统性地听懂高深的相对论和量子物理学，而且绝对不涉及具体公式。
还有比这更厉害的课么？
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