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儿童电子学(三):电气测量

2022-09-02 17:09:22 Giovanni Di Maria 阅读:
在本系列儿童电子学的第1部分中,我们研究了LED;在第2部分中,我们探讨了电容器。现在在第3部分中,我们将深入了解电气测量。

在本系列儿童电子学的1部分中,我们研究了LED;在2部分中,我们探讨了电容器。现在在第3部分中,我们将深入了解电气测量。7Kzednc

如果不包括电气测量,就不可能讨论电子学。为了为电子元器件选择正确的值并计算一些工作条件,必须使用一些简单的算术计算来预测电路的行为。它类似于烹饪食谱,其中所有成分都必须经过精确衡量才能做出美味佳肴。7Kzednc

我们将通过一些简单的例子,特别是电压和欧姆电阻的计算,来解决电气测量的主要问题。7Kzednc

电气测量

没有哪个实际领域不使用测量值,例如长度、体重、学校成绩、视频游戏分数和体温。7Kzednc

任何物理量、化学量或电量都必须经过测量,才能得到良好的控制和管理。如果不进行一些测量,就无法预测电路的行为方式。这里显然不是在谈论用卷尺或尺子测量长度。7Kzednc

相反,我们讨论的是使用被称为万用表的仪器进行的电气测量,如1所示。7Kzednc

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图1:模拟万用表和数字万用表7Kzednc

要进行最初的电气测量,无需花费几百美元购买一台高端产品。只需花几欧元买一台简单的模拟产品或数字产品就足够了。模拟设备正变得越来越少,大多数设备现在都是数字的。7Kzednc

万用表是必不可少的测量工具。它可能具有多种功能,但以下功能是所有型号都有的:7Kzednc

  • 用于交直流电压测量的电压表
  • 用于电流测量的电流表
  • 用于电阻测量的欧姆表

在继续展开电气测量示例之前,最好先回顾一下电压、电流和电阻的概念,如2所示。离开了这三个核心电子参数,任何设计都无法完成。7Kzednc

在日常语言中,“电压”和“电流”这两个术语可以互换使用,但它们实际上指的是两个不同的概念。了解这两个术语之间的区别,对于避免危险情况和充分利用电子元器件至关重要。7Kzednc

因为电的行为与水非常相似,所以电压可以用水压来表示,而电流可以用水本身来表示。从图中可以发现以下三项:7Kzednc

  1. 电压是来自电源的压力,它推动电子通过电路。它以伏特为单位。
  2. 电流是在电路中流动的一组电子。因此,它是由电压决定的一种有序电子流。它以安培为单位。
  3. 电阻是一种表示电路中电流流动的阻力的量度。它以欧姆为单位。

所有材料都具有一定的抗电流特性,因此可分为以下几类:7Kzednc

  • 导体:电阻很小而使电子可以轻松移动的材料(例如,银、金、铜和铝)
  • 半导体:兼具导体和绝缘体特性的材料
  • 绝缘体:具有大电阻而会尽可能限制电子流动的材料(例如,纸、玻璃、橡胶和塑料)

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图2:电压、电流和电阻的概念7Kzednc

测量电池或电芯的电压

使用这种方法,可以读取电池两端的电压,这有助于确定电池是处于有电(充电)状态还是应将其丢弃。将红色表笔连接到电压插座(V),将黑色表笔连接到公共插座,就可以将万用表置于电压表模式(COM或地),如3所示。7Kzednc

始终建议将最大流量(满量程)设置为较高的位置,然后在必要的时候降低它。在我们的示例中,由于待测电池的电压为1.5V、4.5V和9V,因此建议使用20V的最大量程,可通过相对旋转开关进行选择。现在可以直接测量电池电压。不要期望所测得的电压与电池标签上的电压完全相同。例如,对于4.5V电池,如果它是新的,处于充满电的状态,则可能读到4.7V值;如果稍微放电,则可能读到4.1V值;或者如果已经充分放电,则可能读到3.4V值。7Kzednc

相同的规则适用于所有其他电压发生器。测量电压时,务必注意测试导线的正确极性。必须将红色表笔连接到电池的正极,将黑色表笔连接到其负极。但是,任何极性反转都不会损坏万用表;电压则将以负值表示。再次记住,不要将电池的两极进行直接电气接触。这会产生大量热量,甚至会产生火焰。7Kzednc

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图3:电池电压测量7Kzednc

测量由各种元器件组成的电路的电压

4所示的接线图,可以将两个串联的LED二极管点亮。电阻值的计算将在下一部分中进行研究。现在让我们进行一些电压测量,以便改善我们的总体视野。这些测量不用于其他目的,而只是为了让我们更熟悉万用表而进行的。回想一下,在这种类型的连接中,通过电池、电阻和两个LED二极管的电子都是相同的,就像流过单根水管的水一样。将万用表设置为以20V满量程电压测量电压。现在让我们检查一下以下测量,电路中所考虑的各个点称为节点:7Kzednc

  • 将红色笔尖搭在节点N1上,将黑色笔尖搭在节点G上:读取的电压值约为4.5V。实际上,我们正在测量电池两端的电压。
  • 将红色笔尖搭在节点N1上,将黑色笔尖搭在节点N2上:读取的电压值约为0.7V。我们正在测量电阻两端的电压。
  • 将红色笔尖搭在节点N1上,将黑色笔尖搭在节点N3上:读取的电压值约为2.6V。我们正在测量电池正极和第一个LED二极管的阴极之间的电压。
  • 将红色笔尖搭在节点N2上,将黑色笔尖搭在节点N3上:读取的电压值约为1.89V。我们正在测量第一个LED二极管两端的电压。
  • 将红色笔尖搭在节点N2上,将黑色笔尖搭在节点G上:读取的电压值约为3.78V。我们正在测量两个LED二极管两端的电压。
  • 将红色笔尖搭在节点N3上,将黑色笔尖搭在节点G上:读取的电压值约为1.89V。我们正在测量LED二极管两端的电压。

最重要的几个测量是:第一个(N1-G),其目的是测量电池电压(4.5V);第四个(N2-N3)和第六个(N3-G),目的是测量第一个和第二个LED二极管(1.89V)两端的电压;第五个(N2-G),其目的是测量两个LED二极管(3.78V)两端的电压。所进行的测量可能与此处报告的有所不同,因为电池和电子元器件总是彼此略有不同。从测量结果也可以看出,并不总是要将黑色表笔连接到电池的负极,而是可以将它连接到任何节点,红色引线也是如此。我们需要熟悉这个情况。通过将万用表连接到电路的各个节点,就可以在万用表上获得某个电压的读数。它不是由某个电子元器件所产生的,而是由电池分布到各个元器件上所产生的。事实上,在这种类型的电路中,我们永远不会读到高于4.5V的电压。7Kzednc

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图4:电路各个点的电压测量7Kzednc

电阻测量

最后的实验旨在确定电阻器的值,​​如5所示,可以将其与各种直径的水管进行比较。以下是电阻器的一般规则:7Kzednc

  • 电阻值越大,通过它的电流就越少,就像一根细水管(例如330,000Ω,相当于330kΩ);
  • 电阻值越小,通过它的电流就越大,就像一个粗水管(例如15Ω)。

电阻器的测量,无需考虑极性。事实上,这种类型的元件没有极性,测试引线没有方向而言,其在电路中的摆放也可以随意。电阻器的主体通常带有一些色环,用来指示欧姆值。国际色码如下:7Kzednc

  • 黑色:0
  • 棕色:1
  • 红色:2
  • 橙色:3
  • 黄色:4
  • 绿色:5
  • 蓝色:6
  • 紫色:7
  • 灰色:8
  • 白色:9

例如,对于具有棕色、黑色和棕色色环的电阻器,可以得到以下值:7Kzednc

  • 第一个棕色环:1
  • 第二个黑色环:0
  • 第三个棕色环:添加1个零

因此,电阻值为100Ω。7Kzednc

另一个例子,对于具有黄色、紫色和橙色色环的电阻器,可以得到以下值:7Kzednc

  • 第一个黄色环:4
  • 第二个紫色环:7
  • 第三个橙色环:添加3个零

因此,电阻值为47,000Ω,相当于47kΩ。根据要测量的电阻值,有必要将万用表的旋转开关定位在正确的位置,如示例中所示。人体也有自己的电阻。如果我们尝试用双手触摸打在欧姆位置的表笔,就将能够读到以下近似值:7Kzednc

  • 手干时约为10,000,000Ω(10MΩ)
  • 手潮湿或出汗时约为700,000Ω(700kΩ)
  • 手很湿时约为50,000Ω(50kΩ)

此外,盐水的导电性比淡水更好。7Kzednc

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图5:可以将电阻器与不同直径的水管进行比较。7Kzednc

总结

要想让孩子们设计简单的电子电路,就要让他们进行几次实验。即使有些概念还不清楚,也没关系。随着时间和大量的练习,就能对它们完美地理解。我们应只使用电池测试,这样就不会有危险。在进行实验时,还建议有成人提供帮助。7Kzednc

责编:Franklin
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