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1所示。

An analog meter and a digital meter.

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)

concepts of voltage, current, and resistance.

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。

Battery electric voltage measurement examples.

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。

Measurement of the voltages at various points of the circuit.

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。

Resistors compared to different sizes of water pipes.

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。

編譯:Franklin

(參考原文:Electronics for Kids, Part 1: Electrical Measurements,by Giovanni Di Maria)

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