兒童電子學(III)：電氣測量
作者 : Giovanni Di Maria，EEWeb特約作者
在本系列兒童電子學的第3部份中，我們將透過一些簡單的例子，特別是電壓和歐姆電阻的計算，來解決電氣測量的主要問題。
在本系列兒童電子學的第1部份中，我們研究了LED；第2部份探討電容器。現在，在第3部份，我們將深入瞭解電氣測量。
如果不包括電氣測量，就不可能討論電子學。為了為電子元件選擇正確的值並計算一些工作條件，必須使用一些簡單的算術計算來預測電路的行為。它類似於烹飪食譜，其中所有成份都必須經過精確衡量才能做出美味佳餚。
我們將透過一些簡單的例子，特別是電壓和歐姆電阻的計算，來解決電氣測量的主要問題。
電氣測量
沒有哪個物理領域不使用測量值，例如長度、體重、學校成績、視訊遊戲分數和體溫。
任何物理量、化學量或電量都必須經過測量，才能得到良好的控制和管理。如果不進行一些測量，就無法預測電路的行為方式。這裡顯然不是在談論用卷尺或尺規測量長度。
相反地，我們討論的是使用被稱為萬用電表的儀器進行的電氣測量，如圖1所示。
圖1：類比萬用電表和數位萬用電表。
要進行最初的電氣測量，無需花費幾百美元購買一台高階產品。只需花幾歐元買一台簡單的類比產品或數位產品就足夠了。類比裝置變得越來越少，大多數裝置現在都是數位的。
萬用電表是必不可少的測量工具。它可能具有多種功能，但以下功能是所有型號都有的：
- 用於交直流電壓測量的電壓表
- 用於電流測量的電流錶
- 用於電阻測量的歐姆表
在繼續展開電氣測量示例之前，最好先回顧一下電壓、電流和電阻的概念，如圖2所示。離開了這三個核心電子參數，任何設計都無法完成。
在日常語言中，「電壓」和「電流」這兩個術語可以互換使用，但它們實際上指的是兩個不同的概念。瞭解這兩個術語之間的區別，對於避免危險情況和充份利用電子元件至關重要。
因為電的行為與水非常相似，所以電壓可以用水壓來表示，而電流可以用水本身來表示。從圖中可以發現以下三項：
- 電壓是來自電源的壓力，它推動電子通過電路。它以伏特為單位。
- 電流是在電路中流動的一組電子。因此，它是由電壓決定的一種有序電子流。它以安培為單位。
- 電阻是一種表示電路中電流流動的阻力的量度。它以歐姆為單位。
所有材料都具有一定的抗電流特性，因此可分為以下幾類：
- 導體：電阻很小而使電子可以輕鬆移動的材料(例如，銀、金、銅和鋁)
- 半導體：兼具導體和絕緣體特性的材料
- 絕緣體：具有大電阻而盡可能限制電子流動的材料(例如，紙、玻璃、橡膠和塑膠)
圖2：電壓、電流和電阻的概念。
測量電池或電芯的電壓
使用這種方法，可以讀取電池兩端的電壓，這有助於確定電池是處於有電(充電)狀態還是應將其丟棄。將紅色表筆連接到電壓插座(V)，將黑色表筆連接到公共插座，就可以將萬用電表置於電壓表模式(COM或地)，如圖3所示。
始終建議將最大流量(滿量程)設置為較高的位置，然後在必要的時候降低它。在我們的示例中，由於待測電池的電壓為1.5V、4.5V和9V，因此建議使用20V的最大量程，可透過相對旋轉開關進行選擇。現在可以直接測量電池電壓。不要期望所測得的電壓與電池標籤上的電壓完全相同。例如，對於4.5V電池，如果它是新的，處於充滿電的狀態，則可能讀到4.7V值；如果稍微放電，則可能讀到4.1V值；或者如果已經充份放電，則可能讀到3.4V值。
相同的規則適用於所有其他電壓產生器。測量電壓時，務必注意測試導線的正確極性。必須將紅色表筆連接到電池的正極，將黑色表筆連接到其負極。但是，任何極性反轉都不會損壞萬用電表；電壓則將以負值表示。再次記住，不要將電池的兩極進行直接電氣接觸。這會產生大量熱量，甚至會產生火焰。
圖3：電池電壓測量。
測量由各種元件組成的電路的電壓
圖4所示的接線圖，可以將兩個串聯的LED二極體點亮。電阻值的計算將在下一部份中進行研究。現在讓我們進行一些電壓測量，以便改善總體視野。這些測量不用於其他目的，而只是為了讓我們更熟悉萬用電表而進行的。回想一下，在這種類型的連接中，透過電池、電阻和兩個LED二極體的電子都是相同的，就像流過單根水管的水一樣。將萬用電表設置為以20V滿量程電壓測量電壓。現在讓我們檢查一下以下測量，電路中所考慮的各個點稱為節點：
- 將紅色筆尖搭在節點N1上，將黑色筆尖搭在節點G上：讀取的電壓值約為5V。實際上，我們正在測量電池兩端的電壓。
- 將紅色筆尖搭在節點N1上，將黑色筆尖搭在節點N2上：讀取的電壓值約為7V。我們正在測量電阻兩端的電壓。
- 將紅色筆尖搭在節點N1上，將黑色筆尖搭在節點N3上：讀取的電壓值約為6V。我們正在測量電池正極和第一個LED二極體的陰極之間的電壓。
- 將紅色筆尖搭在節點N2上，將黑色筆尖搭在節點N3上：讀取的電壓值約為89V。我們正在測量第一個LED二極體兩端的電壓。
- 將紅色筆尖搭在節點N2上，將黑色筆尖搭在節點G上：讀取的電壓值約為78V。我們正在測量兩個LED二極體兩端的電壓。
- 將紅色筆尖搭在節點N3上，將黑色筆尖搭在節點G上：讀取的電壓值約為89V。我們正在測量LED二極體兩端的電壓。
最重要的幾個測量是：第一個(N1-G)，其目的是測量電池電壓(4.5V)；第四個(N2-N3)和第六個(N3-G)，目的是測量第一個和第二個LED二極體(1.89V)兩端的電壓；第五個(N2-G)，其目的是測量兩個LED二極體(3.78V)兩端的電壓。所進行的測量可能與此處報告的有所不同，因為電池和電子元件總是彼此略有不同。從測量結果也可以看出，並不總是要將黑色表筆連接到電池的負極，而是可以將它連接到任何節點，紅色引線也是如此。我們需要熟悉這個情況。透過將萬用電表連接到電路的各個節點，就可以在萬用電表上獲得某個電壓的讀數。它不是由某個電子元件所產生的，而是由電池分佈到各個元件上所產生的。事實上，在這種類型的電路中，我們永遠不會讀到高於4.5V的電壓。
圖4：電路各個點的電壓測量。
電阻測量
最後的實驗旨在確定電阻器的值，如圖5所示，可以將其與各種直徑的水管進行比較。以下是電阻器的一般規則：
- 電阻值越大，透過它的電流就越少，就像一根細水管(例如330,000Ω，相當於330kΩ)；
- 電阻值越小，透過它的電流就越大，就像一個粗水管(例如15Ω)。
電阻器的測量，無需考慮極性。事實上，這種類型的元件沒有極性，測試引線沒有方向而言，其在電路中的擺放也可以隨意。電阻器的主體通常帶有一些色環，用來指示歐姆值。國際色碼如下：
- 黑色：0
- 棕色：1
- 紅色：2
- 橙色：3
- 黃色：4
- 綠色：5
- 藍色：6
- 紫色：7
- 灰色：8
- 白色：9
例如，對於具有棕色、黑色和棕色色環的電阻器，可以得到以下值：
- 第一個棕色環：1
- 第二個黑色環：0
- 第三個棕色環：添加1個零
因此，電阻值為100Ω。
另一個例子，對於具有黃色、紫色和橙色色環的電阻器，可以得到以下值：
- 第一個黃色環：4
- 第二個紫色環：7
- 第三個橙色環：添加3個零
因此，電阻值為47,000Ω，相當於47kΩ。根據要測量的電阻值，有必要將萬用電表的旋轉開關定位在正確的位置，如示例中所示。人體也有自己的電阻。如果我們嘗試用雙手觸摸打在歐姆位置的表筆，就將能夠讀到以下近似值：
- 手乾淨時約為10,000,000Ω (10MΩ)
- 手潮濕或出汗時約為700,000Ω (700kΩ)
- 手很濕時約為50,000Ω (50kΩ)
此外，鹽水的導電性比淡水更好。
圖5：可以將電阻器與不同直徑的水管進行比較。
總結
為了讓孩子們設計簡單的電子電路，就要讓他們進行幾次實驗。即使有些概念還不清楚，也沒關係。隨著時間和大量的練習，就能對其完美地理解。我們應只使用電池測試，這樣就不會有危險。在進行實驗時，還建議有成人提供幫助。
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編譯：Franklin
(參考原文：Electronics for Kids, Part 1: Electrical Measurements，by Giovanni Di Maria)
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