不論是電子菜鳥,或是資深老鳥,最常接觸的電子零件,除   LED 外當數蜂鳴器(buzzer)。

蜂鳴器發聲原理

蜂鳴器接上直流電源便可發出聲響,並非因體內住了一隻小蜜蜂。以一般電磁式蜂鳴器為例,拆開外殼一看,發現內部構造不算複雜,主要由一片震動膜片、多諧波振盪器、磁鐵和線圈組成。

圖一:不同尺寸的蜂鳴器

 

人能夠聽到聲音,是由於空氣振動產生聲波,聲波透過空氣傳到耳朵接收。例如我們說話時震動聲帶,空氣因此震動產生聲音。同樣道理,只要令蜂鳴器內的膜片震動,便可使它發聲。蜂鳴器內的振盪電路輸出方波,振盪信號電流經過線圈,令線圈兩端產生磁場(電流的磁效應),與磁鐵相吸或相斥,繼而推動連接於磁鐵上的膜片,膜片因震動而發出聲音。這是個由電能到磁能,再到機械能,最後至聲能的轉化過程。

電磁式蜂鳴器是其中一種有源蜂鳴器(Active Buzzer)。「源」所指的不是電源,而是振盪源。上文已說過它能夠發聲,在於內部的振盪電路。另一種有源蜂鳴器為壓電式蜂鳴器(Piezo Buzzer),內部同樣有振盪電路,不同的是以壓電陶瓷片將電能轉機械能。只要在陶瓷片兩側施加周期性電壓,陶瓷片便會交替前後變彎震動,發出聲音。

圖二:壓電陶瓷片與電線焊接

無源蜂鳴器的特點

如有「有源」,有沒有「無源」蜂鳴器呢?有的,無源蜂鳴器(Passive Buzzer)在字義上說,即不帶振盪源,在沒有振盪電路情況下接上直流電,因輸出電壓沒有變化,蜂鳴器片仍然保持沉默,所以我們需從外接振盪器。看似不方便,但亦有其優點。首先,零件數量少,售價較低是常識吧!其次,我們可脫離一般蜂鳴器只可發出單音的局限,自由控制輸出聲音頻率,便可透過編程寫出不同音階和延續時間,合成一首旋律美妙的音樂。

圖三:相同尺寸的「有源」(圖左)與「無源」蜂鳴器(圖右),外觀上難以分辨

多音效蜂鳴器 Buzz+

筆者最近針對一般有源蜂鳴器發「悶聲」的缺點,研發了非一般只「嗶嗶、嘀嘀」叫的蜂鳴器。蜂鳴器取名   Buzz+,內置   種音效,供用家選擇。它的外觀和尺寸與一般市售有源蜂鳴器無異,但底部多了一片電路板。說穿了,不過是以「無源」變成「有源」。電路板特意製作成小尺寸,在零件安排上和佈線上花了不少心思和考慮。是次選用微處理器   PIC12F508,雖然   MCU 內建功能較為原始,但足以應付需求。

圖四:Buzz+ 外觀與底部電路板

Buzz+ 在操作上與一般蜂鳴器無異,接上直流電源,預設發出「嘀、嘀、嘀、嘀…嘀、嘀、嘀、嘀」響聲,一如某些有源蜂鳴器音效。但用家亦可透過焊接電路板上的指定焊墊,選擇其餘   種音樂旋律。筆者精心挑選的旋律都有一定普及程度。先聞為快,有興趣的讀者可瀏覽以下示範影片。

 

 

電路設計考慮因素之一:頻率響應

對使用無源蜂鳴器自製音效躍躍欲試的朋友,設計振盪電路或編程前,不得不注意蜂鳴器的頻率響應(Frequency Response)問題。如有信號產生器(Signal Generator),可接至無源蜂鳴器,並慢慢調校方波的輸出頻率。你會發現在某些頻率範圍,蜂鳴器發出的聲音比其他頻率範圍更響、更大。這個就是蜂鳴器的頻率響應範圍,超出範圍所發出的聲音音量會下降,也有機會令聲音發出得有點吃力感覺,帶點「嘶啞」。所以,應盡量令輸入到蜂鳴器的頻率落入響應頻率。不同款式的蜂鳴器有不同的頻率響應範圍,可參考生產商的零件規格說明(一般標示為「諧振頻率」 Resonant Frequency)。優質的蜂鳴器,其頻率響應範圍較廣,這和喇叭的頻率響應範圍概念相同。

圖五:無源蜂鳴器   KC-1201 頻率響應圖

利用微處理器輸出的信號電流很小,功率不足以驅動蜂鳴器,因此我們需先將信號放大,常用電流放大零件是電晶體。挑選零件時,留意電晶體規格(最大集極電流、耐壓值、放大倍數等)需配合蜂鳴器規格(輸出功率、阻抗等),以達致最大功率輸出。有關分析和計算方法,在此不深入講述。

簡單一個小小發聲器件,內藏技術還有很多。各位如求知慾旺盛,可自行搜尋相關資料。若對本文內容有其他問題,歡迎留言,筆者不定期與大家分享更多電子學基礎知識,你們的支持將是筆者發文的推動力!

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筆者所研發的四位數電子時鐘套件


相信不少電子愛好者曾經購買 DIY 電子電路套件買回家後按說明書將零件小心逐一焊接完成後接上電源那一刻……唷勁開心!當順利見到套件運作正常發光發聲或會走會叫成功感非常之大市面上有形形式式的電子套件因為趣味性及實用性高電子時鐘在電子套件類別中必是執其牛耳不可或缺的產品

最近筆者亦嘗試設計一個功能較完善的電子時鐘套件在外型和功能上加入創新元素希望帶給同好耳目一新的感覺

以下列出這款電子時鐘的規格和主要特色

規格
  • 工作電壓       3-5V
  • 工作電流       5mA @ 3.5V
  • 成品尺寸       85mm() x 36mm() x 21mm()

 

主要功能及特點
  • 大型 4 位數字 LED 顯示屏
  • 低耗電量
  • 12 / 24 小時時間制式
  • 日期設定,顯示最大至 2099 12 31
  • 響鬧裝置
  • 斷電記憶
  • 1 分鐘斷電續航
  • 系統重置
  • 省電模式
  • 顯示屏亮度調校
  • 低電量提示
  • 定時開關訊號輸出埠

 

值得一提是特點「定時開關訊號輸出埠」因你可外接電路作定時開關電器功能說明書提供兩個範例電路以供參考

 

這款套件不包括外殼,但在主   PCB 板兩側各設一個柱孔,你可使用膠柱、銅柱等作支架,並自行設計外殼,創作屬於你的電子時鐘,成為時鐘建築師!
 
套件包括詳細焊接說明書及操作說明書。如果不喜歡看文字,筆者亦製作了   套簡短影片,介紹套件、焊接小撇步及時鐘操作方法,按以下   YouTube 連結即可觀賞:
 
【影片一:電子時鐘套件簡介】https://youtu.be/OnLkW0r0Nmw
 

本影片除簡短展示完成後的時鐘外型,亦示範如何以一個圓形膠筒製作外殼,絕對比一般方方正正的模樣更為特別。希望它能帶給你新思維新創意,給你創作的靈感。
 
【影片二:電子時鐘套件焊接指引】https://youtu.be/WLdr1t99Q0U
 

開始焊接前宜先觀看此影片,了解焊接步驟及注意事項,可縮短你的焊接時間和確保製作過程順利。
 
【影片三:電子時鐘套件操作示範】https://youtu.be/D0cj9z7fEIE
 

此影片介紹時鐘的各項功能與及操作,包括時間、日期設定等。
 

===============================================================
此款電子時鐘套件功能較多,硬件設計上亦已盡量提高運作時的穩定性為考慮,電路較複雜,涉及零件較多,因此適合喜歡挑戰難度、或對電子製作較有基礎的同好。不過,如果你想省略焊接過程,直接擁有成品,筆者亦可代勞,製作並測試後把完成的時鐘交給你,只需提供電源即可運作。

 
訂購產品可循以下途徑:
 
ETSY 網址
只提供零售,如欲大量訂購,請直接到WWW.ALIEN-1.COM ,或電郵   enquiry@alien-1.com 查詢詳情及批發折扣。
 
筆者官網
WWW.ALIEN-1.COM  (進入主頁 > 產品訂購 > 時鐘套件)
你亦可在官方網頁訂購產品,或直接發電郵   enquiry@alien-1.com 通知筆者你欲訂購的數量、聯絡方法,以及註明需要套件或成品。付款方法只接受現金(香港門市購買)或信用卡/ PayPal,敬請留意。

 
官網亦列出筆者和設計團隊所研發的其他電子產品,其包羅萬有,涵蓋電子調速器、混控器、穩壓器收發器等範疇,還望各位多多支持。筆者會繼續努力構思電子產品及不定期在此博客發表文章,與同好分享電子基本知識。我們亦可代客開發 MCU 單晶片軟件、電子電路硬體、PCB 底板繪製,及 STEM 教學套件等,歡迎有興趣者洽談技術協作。
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(以下內容摘錄自本人另一個同名部落格《創科小淘氣 The Little Electronics Mischief》: https://elec-mischief.blogspot.com/。歡迎按連結瀏覽更多電學基礎、電路設計心得等文章。)

試想像面前有一個基本電流錶其滿度電流為 50 µA內阻 2 k我們如何將它改裝成電阻錶量度未知阻值的電阻呢?

由於電阻是被動元件,只單純地接在電流錶並不能令指針偏轉,因此需要外接電源。當你掀開萬用電錶的背蓋,一眼便看到乾電池了(圖一)。一般而言,我們會分別看到兩枚   1.5 V 及一枚 9 V 電池,這些乾電池主要用於驅動電阻錶電路,而電源輸入按需要分為   3 V  9 V

 
圖一:萬用電流錶內的乾電池
 
 
電阻錶的最基本原理其實頗為簡單,只涉及歐姆定律(Ohm's Law)的運用。歐姆定律 V = I x R 說明電路兩端的電流和電阻值的關係:假如兩端的電壓固定,電阻值增加則電流按比例減小。套用在電阻錶電路,我們可簡單地把未知阻值的電阻與電流錶串聯,兩端加上固定電壓。未知電阻阻值愈大,流過電流錶的電流減小,錶上的指針偏轉角度亦相應減小,這亦解釋了萬用電錶錶盤上的歐姆刻度尺,最右面標示 0 ,愈往左邊讀數愈大。
 
在實際操作上,我們當然不能只將電壓、電流錶與未知電阻三者串聯便可。注意電流錶最大可通過的電流為   50 µA,如電路輸入電壓為   3 V,若電阻阻值很低,甚或將紅色和黑色錶針觸碰(等於接上零歐姆電阻),大量電流將通過電流錶,容易導致錶頭損毀。所以在實際電路設計上也要考慮加入適當電阻或其他器件去限制電流和保護電路,例如圖二。另外,在測量電阻前進行零歐姆調整,即是在零歐姆電阻的情況下,透過調節電路的可變電阻,令錶頭指針轉幅達滿度,即指在   0 位置。經過調整後,測量電阻時才量出較準確的數值。
 
圖二:簡單的電阻測量電路
 
RA 為電流錶等效電阻RM 用以限制電路最大電流RX 為待測電阻將接在 點和 點測量電路電壓 固定當 RX 阻值愈大電流 愈小電流錶指針的偏轉角度也愈小

 


 

測量電阻前我們亦會先選擇適當的倍率檔位例如 X1、X10、X10K 但量度未知電阻時或會出現指針指在刻尺較左或較右的位置因為歐姆刻度尺上的刻度不平均分佈(見註)愈往刻度尺左面(數值愈大)刻度愈密讀數誤差亦相應增大因此有需要時要重新選擇倍率檔位令指針指向較中間的刻度才讀出電阻值至於在電阻錶電路如何做到選檔的功能呢?由於不能轉換電流錶所以其標清值不變要在量度相同阻值的電阻下將電流錶指針的偏轉角度改變(相等於改變倍率檔)即涉及改變流經電流錶的電流在較低的倍率檔電路輸入電壓不變(3 V所以我們便改為更改電路的總電阻值但若要量度大阻值電阻倍率檔選在 X10K 繼續使用 3 V 電壓則令到電流過小因此電流錶指針偏轉角度亦很小我們需要加大輸入電壓提升電流萬用電錶內的 9 V 乾電池便在撥至高倍率檔時使用

由於各廠商的電阻錶電路設計較為複雜和不統一在此不詳細逐一探究如你有興趣請自行搜索設計圖了解詳細運作談到測量未知阻值在此順道提及著名的惠斯登電橋(Wheatstone bridge這是個很精確的測量直流電阻阻值方法電路由四個電阻組成通上直流電以下是典型的電路圖(圖三)

 
圖三:使用惠斯登電橋測量直流電阻阻值

 

 

 
電路圖中的 Rx 是待測電阻R1R2 和 R3 是已知阻值的電阻根據分壓原理當 點和 點的電壓相等兩端便沒有電壓差因此沒有電流流過電流錶此時電橋達至平衡我們亦可以把 R1R2 R3 其中一枚電阻換為可調電阻方便調整至電橋平衡通過電阻比值 R3 / R1 = RX / R便能計算出 RX
RX = R3 x R2 / R1
 

註:

以下的電阻錶電路圖嘗試解釋錶盤刻度不均勻的原因,雖然與實際電路不盡相同,但兩者原理類近,僅供參考。
(參考連結:http://dmt.zjlsedu.org/longresgz/300/040/020/060/L000000000089758.htm
 
 
RA 為電流錶內阻特別繪畫出來RM 是可變電阻零歐姆調整時使用所以在此亦叫調零電阻Rx 是待測電阻錶內乾電池提供電動勢 E乾電池的內阻相較 R和 R太小故忽略不計
 
當進行零歐姆調整時紅色和黑色錶針相接調整後電流錶指針轉至滿度電流 I = E / (RA + RM)讓我們把這個數值暫稱為 IA

當測量 Rx Rx 接入電路電流 I = E / (RA + RM + Rx)

從以上兩條算式可計算滿度電流和接上 R後的電流比值 I : IA = E / (RA + RM + Rx) : E / (RA + RM) 簡化後即 I : IA = (RA + RM) : (RA + RM + Rx)
 
根據這個比例,可以看出當   Rx = (RA + RM)I : IA = 1 : 2,即電流 I 是滿度電流   I的一半,也就是說,錶頭指針停在中間。(RA + RM) 是電阻錶的內阻阻值,也叫中值電阻。
 
同理,我們亦可根據中值電阻制定其餘電阻錶刻度。當   Rx 的值是中值電阻的   23倍   ……   時,電流錶中的電流 I 分別為   IA 1 / 31 / 41 / 5 ……,即指針的偏轉角度為   I 1 / 31 / 41 / 5 ……。當   Rx 的值是中值電阻的   1 / 21 / 31 / 4 倍   ……   時,指針的偏轉角度則分別為   I 2 / 33 / 44 / 5,所以,電阻錶的錶盤刻度是不均勻的。
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(以下內容摘錄自本人另一個同名部落格《創科小淘氣 The Little Electronics Mischief》: https://elec-mischief.blogspot.com/。歡迎按連結瀏覽更多電學基礎、電路設計心得等文章。)

上次解構了指針式三用電錶內的電流錶結構,與及如何利用基本電流錶加大量程,這次則談談電壓錶的原理。我們繼續以內阻值   2 k 、最大可測量   50 µ的電流錶作分析。但其實只要細心想想,便發現這個電流錶亦可測量電壓,即是說它本身就是電壓錶!因為利用歐姆定律 V = IR,我們可計算出電流錶指針在滿度下,流過電流錶的最大電壓降是 50 µA x 2 kΩ = 0.1 V。只需從電流錶上指針的讀數按比例計算,便能量出電路中兩端的電壓差。

然而,受電流錶高靈敏度和內阻值所限,量得的電壓值範圍不夠廣闊。若要拿它測量 10 V100 V 甚至更高電壓,應怎辦呢?這很簡單,只須將電流錶稍作改裝即可。以下為簡化情況,我們只討論如何將電流錶改裝成測量直流電壓的電壓錶。
 
電流錶要加大電流的量程,需把「多餘」的電流分出去,令流過電流錶的電流維持在它的最大測量值之內。同理,要電流錶測出更大的電壓,得需把「多餘」的電壓降掉,亦即限制流過電流錶的電流。
 
把合適的電阻與電流錶並聯,可加大電流錶量程;這次我們則把電阻與電流錶串聯,而這枚電阻有特別名稱,叫作「分壓電阻」、「倍增電阻」或「倍增器」(Multiplier)。改裝後的電流錶基本電路圖如下:
 
圖一:改裝後的電流錶基本電路圖

 

 
電路圖藍色框著的部分為整個電壓錶結構。RM 為倍增電阻,RA 則為電流錶的內阻,現特別繪在電流錶以外。假設這是   50 µ的電流錶,內阻   RA = 2 k,現要改成最大可測量 E = 10 V 電壓的電流錶,試求   RM
 

從以上電流錶參數得知,電流I 最多只能為   50 µA。電流錶兩端(和   點)電壓差   Vbc 最大為 0.1 V,因為:

Vbc = I x R= 50 µA x 2 kΩ = 0.1 V
 
RM 兩端(和   點)的電壓差   Vab = E - Vbc = 10 V - 0.1 V = 9.9 V
RM = Vab / I = 9.9 V / 50 µA
RM = 198 k
 
只要與電流錶串接   198 kΩ 的電阻,便可量出最大   10 V 的電壓。
 

若要測量最大達   50 V 的電壓,我們可按同樣方法計算倍增電阻值:

RM 兩端(和   點)的電壓差   Vab = E - Vbc = 50 V - 0.1 V = 49.9 V

RM = Vab / I = 49.9 V / 50 µA
RM = 998 k

只要與電流錶串接   998 kΩ 的電阻,便可量出最大   50 V 的電壓。
 


從以上兩個例子可得知當量度電壓愈大倍增電阻值愈大使用萬用電錶量度電壓有不同檔位選擇就是將電流錶串接不同阻值的倍增電阻制定不同電壓檔次

電壓錶的內阻值愈大,量出的電壓值愈準確,現在讓我們以計算方法找出原因。圖二是使用電壓錶量度電壓的電路例子,電壓錶(藍框)並接在電阻   RB 兩端,量度   和   點的電壓差 VbcRV 為電壓錶內阻。

圖二:使用電壓錶量度電壓例子
 
我們不妨為電壓錶內阻(RV)設定兩數值,分別為   10 kΩ 和   1 MΩ 計算所量得的   Vbc。在此之前,先計算未接上電壓錶時,實際 Vbc 的值。
 
電路總電阻 R = RA + RB = 10 kΩ + 10 kΩ = 20 kΩ
電流 I = 10 V / R = 10 V / 20 kΩ = 0.5 mA
電壓差Vbc = I x RB = 0.5 mA x 10 kΩ = 5 V
 
情景一:設電壓錶內阻RV = 10 kΩ
電路總電阻 R = RA + (RV // RB) = 10 kΩ + (10 kΩ // 10 kΩ) = 10 kΩ + 5 kΩ = 15 kΩ
電流 I = 10 V / R = 10 V / 15 kΩ ≈ 0.667 mA
電壓差   Vbc = I x (RV // RB) = 0.667 mA x 5 kΩ ≈ 3.3 V
實際 Vbc 值的誤差率 = (5 V - 3.3 V) / 5 V x 100% = 34%
 
情景二:設電壓錶內阻RV = 1 M
電路總電阻 R = RA + (RV // RB) = 10 kΩ + (1 MΩ // 10 kΩ) ≈ 10 kΩ + 9.90099 kΩ = 19.90099 kΩ
電流 I = 10 V / R = 10 V / 19.90099 kΩ ≈ 0.502 mA
電壓差   Vbc = I x (RV // RB) = 0.502 mA x 9.90099 kΩ ≈ 4.97 V
 
實際 Vbc 值的誤差率 = (5 V - 4.97 V) / 5 V x 100% = 0.6%
 

從以上計算結果得知當電壓錶內阻愈高,所量的電壓值愈準確。相對來說,若電路中各回路電阻值較大(即   RA 及   RB 較大,電流   比較小),使用低內阻值的電壓錶,所量得的電壓誤差率會較大。讀者不妨設定兩組不同阻值的回路電阻,一組較高另一組較低,舉例   RA 及   RB = 1 MΩ 另一組   RA 及   RB = 1 kΩ ,並以不同內阻值的電壓錶量度時,所量得的   Vbc 誤差率。

本文所討論的是把電流錶改裝成量度直流電壓的方法,至於要量度交流電壓,我們得先把交流電整流成直流,然後才經過錶頭。整流的原理超出本文範圍而省略,但是變成直流後的電壓量度和擴展量程的方法與本文所描述的方法相似。

至此我們已大致講述電流錶和電壓錶的結構,下次將逐步解析電阻錶的運作原理,請勿錯過。
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(以下內容摘錄自本人另一個同名部落格《創科小淘氣 The Little Electronics Mischief》: https://elec-mischief.blogspot.com/。歡迎按連結瀏覽更多電學基礎、電路設計心得等文章。)

上回介紹萬用電錶的基本操作方法,不知大家現在是否熟習呢?一般萬用電錶多用於量度電流、電壓和電阻值。指針式萬用電錶是較早期發展的電錶,由電流錶(亦稱安培計,Ammeter)、電壓錶(亦稱伏特計,Voltmeter)和電阻錶(亦稱歐姆計,Ohmmeter)組合而成。整個盒子拿起來一點也不重,你或會好奇到底內裡有什麼乾坤,這次讓我們逐一拆解,讓你有更進一步理解:

  1. 為何電流錶內阻值愈低量度效果愈好?
  2. 為何電壓錶內阻值愈高量度效果愈好?
  3. 為何用指針式電錶測電阻值時,黑色針接內部電源正極,紅針接內部電源負極?
 
指針式萬用電錶的結構並不複雜,機械部分主要由永久磁石、電線圈和指針組成。只要電流流過電線圈,電線圈因磁場作用產生指針轉動力矩,令指針偏轉,偏轉的角度受電流大小影響。事實上,萬用電錶可說是由一個高靈敏度的電流錶改裝而成(如圖一所示),最後讓它可量度不同範圍的參數(電流、電壓和電阻值)。
 
圖一:100 µ電流錶

 

 

電流錶的原理
 
一般電流錶靈敏度的標稱值,部分採用多少   k / V DC,意思就是用   1 伏特電壓令電錶錶針達至滿度,其中   k 就是指電流錶內阻值,加上外接電阻值。舉例:電錶內阻 + 外接電阻值 = 20 k,當   電壓跨接於電錶及外接電阻兩端,令其達至滿度,亦即流過電錶的電流是   1 / 20 k = 50 µA。所以另一靈敏度說法亦以電流相稱,如上述就是   50 µ電流錶。高靈敏度的電流錶即是只需細電流通過便足以令錶針達至滿度。
 
現設定電流錶靈敏度為 20 k / V DC(即   50 µ電流錶),電流錶內阻 = 2 k,我們嘗試把它改裝成測量範圍廣闊的電流錶,讓它能夠量得比原先最大測量範圍大   2,000 倍的電流,即可量電流最大是   100 mA0.1 A)。
 
如果強行讓超過測量範圍的電流通過,必然燒毀電流錶,所以我們得另想辦法,讓指針在測量範圍偏轉,同時讓我們知道大電流量的多少。這個要求看似很矛盾,流過電流錶的電流是有限制的,「多餘」的電流要往哪裡走?其實它像過大的水流一樣,只要「疏導」就可以了。也就是說,我們要把電流分流。若你了解歐姆定律,便知道用電阻並接電流錶就能解決問題。
 
加入用作分流的電阻,稱為分流電阻(shunt resistor),它的阻值取決於電流的測量範圍。
 
圖二為經改裝後的電流錶基本電路圖,藍色框著的部分為整個電流錶結構。為待測電流,IA 和   IS 是分別流過 50 µ電流錶(符號   A)和分流電阻的電流,RA 則是電流錶的內阻,現特別繪在電流錶以外。試計算分流電阻阻值   RS
 
圖二:改裝後的電流錶基本電路圖
 
 
從以上電流錶參數得知,只要在電流錶兩端接上   0.1 V 即可有   50 µ通過,亦即指針達至滿度,因為:
Vab = IA x RA = 50 µA x 2 kΩ = 0.1 V
 
I = 100 mA = 0.1 A 
 
和   兩點的電壓差   Vab = 0.1 V   
和   兩點的電阻值 = Vab / I = 0.1 V / 0.1 A = 1 (亦即 RA 和   RS 的並聯值 = 1
RA 值已知 = 2 k ,求   RS
 
電阻並聯計算如下:
1 / RA + 1 / RS = 1 / 1
1 / 2 kΩ + 1 / RS = 1 / 1
 
RS 1.00050025
 
只要與電流錶並接約   1.00050025 Ω 的電阻,便可量出最大   100 m的電流。
 


若要測量最大達   10 A 的電流,我們可按同樣方法計算分流電阻值:
 
I = 10 A  
 
和   兩點的電壓差   Vab = 0.1 V   
和   兩點的電阻值 = Vab / I =  0.1 V / 10 A = 0.01 (亦即 RA 和   RS 的並聯值 = 0.01        
 
RA 值已知 = 2 k,求   RS
 
電阻並聯計算如下:
1 / RA + 1 / RS = 1 / 0.01      
1 / 2 kΩ + 1 / RS = 1 / 0.01       
 
RS 0.01000005                
 
只要與電流錶並接約   0.01000005 Ω 的電阻,便可量出最大   10 A 的電流。
 
但我們仍得留意選取此分流電阻時,其瓦數值必須 >= 1 W,因為電功率   P = I x I x RP = 10 x 10 x 0.01000005
 
P = 1.000005 W
 


從以上兩個例子可得知,當量度電流愈大,分流電阻值愈小。使用萬用電錶量度電流,有不同檔位選擇,就是將電流錶並接不同阻值的分流電阻,制定不同電流檔次。
 
分流電阻與電流錶計內阻並接後,電阻值是非常小的。以 RS = 0.01000005 Ω 為例,等效電阻值 R = (RA x RS) / (RA + RS) = (2 kΩ x 0.01000005 Ω) / (2 kΩ + 0.01000005 Ω) ≈ 0.01 Ω。而一個理想電流錶,內阻以小為佳,因此流過電流錶所產生電壓差趨近零(V = I x R)。
 
到此我們明白電流錶的大致結構,下次再談談如何將流錶改裝成電壓錶,其原理與與改裝成電流錶大致相同,大家不妨先思考一下。
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(以下內容摘錄自本人另一個同名部落格《創科小淘氣 The Little Electronics Mischief》: https://elec-mischief.blogspot.com/。歡迎按連結瀏覽更多電學基礎、電路設計心得等文章。)

我們進行電子實驗或是焊接電路時,需要借助儀器幫忙檢查零件和線路,萬用電錶(Multimeter)就是你其中一位不可或缺的夥伴。說是「萬用」,因為只要一部在手,便能輕易讓你診斷電路故障或得到零件參數。萬用電錶又稱三用電錶,主要功能是量度電阻值、電流和電壓,有些萬用電錶亦可測出電容值、電感、訊號頻率、分貝、電晶體的腳位和增益等(圖一)。它們的功能如此多樣,但入門級價格相宜,數十港元便可購得。

萬用電錶按數值顯示方法分為類比(指針)和數位(數字)兩類(圖二及三)。類比式根據指針在錶盤上偏轉的幅度量度,數位式則直接從   LCDLEDOLED 等顯示屏顯示數字,準確度高。類比式結構涉及機械部份,加上只憑肉眼看出指針停在刻度尺上的大概位置判斷數值,測量的精確度比數位式為低,讀取數值時也較不方便,使用前又要先進行歸零校正(Zero Correction)。故此類比式萬用電錶的地位亦逐漸被數字式萬用電錶所取代。
 

(圖一)可測量電晶體腳位及增益的萬用電錶面板

 


(圖二)類比(指針)式萬用電錶

 

(圖三)數位(數字)式萬用電錶


或許你已經有使用萬用電錶的經驗不過你真正了解正確的測量步驟和手法嗎?錯誤操作不但傷害工具也會影響所量的數值準確度以下使用類比式萬用電錶作示範讓你重溫一般的量度方法



歸零校正
 
正式使用類比式萬用電錶前應先進行歸零校正使測值準確方法是先察看指針是否在左端 DCV, A & ACV 刻度尺的零位上如有偏移用一字型螺絲批在零調裝置上微調(圖四及五)校正可在未開啟電錶時進行

 

(圖四)進行歸零校正

 

(圖五)歸零校正後指針在   DCV, A & ACV 刻度尺的零位

 

量度電阻值的方法
 
電阻上的色環已告訴我們它的阻值大小和誤差率,但若然你對著一條條的顏色茫然沒頭緒,不懂看也不懂換算,此時用萬用電錶測量便可瞬速解決問題。
 
量度電阻精確的阻值必需單獨一枚量度,決不能在複雜的電路中量度,甚或在接上電源的電路中量度,因為這不單導致有錯誤讀數,亦可能引致電錶燒毀(見註一)。另外,若不知道電阻值大約範圍,先把功能範圍選擇開關撥至歐姆檔()中的最大倍率檔位量起,以圖中的電錶為例是   X10K 檔(圖六)。
 
(圖六)切換到測量電阻的   X10K 
 
每次切換歐姆檔位後需進行零歐姆調整,才再正式測量阻值。用一隻手將紅黑錶針相碰,另一隻手轉動調校調零旋扭(Ω ADJ(圖七)直至指針指向歐姆刻度尺最右端的   Ω 位置(圖八)。
 
(圖七)進行零歐姆調整

 

(圖八)零歐姆調整完成

 

我們把待測電阻兩端接至錶針上(圖九   及   B)。注意!兩手不能同時接觸電阻兩端(圖十),因為這個姿勢等於人體內阻和待測電阻並聯,量出的阻值便不準確。

 
(圖九   A)錶針放在電阻兩端測量

 

(圖九   B)另一個可接受的測量姿勢,手按在錶針和電阻其中一端

 

(圖十)錯誤的測量姿勢

 

接著留意指針指向的刻度。本例子指針停在 W 刻度尺上   多些許,乘以倍率   X10K,換算出電阻值稍高於    10 kW(圖十一)。因右端刻度太擠看不清楚,如要進一步讀出較準確的數值,可將倍率檔下調一級(X1K 檔)。經零歐姆調整後再次量度,此時指針將指向較大讀數(較接近錶盤中間)的位置,亦較易看出阻值約   11 kW(圖十二)。若將倍率檔再下調一級(X100 檔),不難想到指針指向更大讀數(靠刻度尺左端),但是亦不易讀取準確數值。
 
(圖十一)在   X10K 檔位所量出的電阻值

 

(圖十二)在   X1K 檔位所量出的電阻值

事實上,這枚電阻阻值為   12 kW,電阻的誤差率和萬用電錶靈敏度將影響最後讀數。我們可以多量幾次得出較可靠的數值,如使用數位式萬用電錶則方便多了,經一次測量便可(圖十三)。

 

(圖十三)使用數位式萬用電錶量得的電阻值
 
量度直流電壓的方法
 
要量度電路兩端的直流電壓,萬用電錶需和電路作並接式使用。先把功能範圍選擇開關撥向檢測直流電壓(DCV的適當檔位檔位上的數值表示可測量的最大電壓值與量度電阻值做法相似如不確定待測電壓的大約值建議先從最大的檔位開始測量本例子測量輸入電壓因已知道兩端電壓範圍在 2.5 -10 V 之間所以將檔位切換至 10然後將紅黑錶針放於電路兩端(圖十四)
 
(注意:在量度電壓或電流時,不論交流或直流,為防止觸電,手部不應接觸測量棒金屬部份
 
(圖十四)測量直流電壓值時錶針的接法
 
有時在接上錶針後會看到指針向逆時針轉動,離開刻度尺範圍(圖十五),表示正(紅針)負(黑針)極倒轉了,需要將錶針對調再量度。如使用數位式萬用電錶,則不用再測量,而電壓值以負數表示。

 

(圖十五)量出負電壓值的情況

 

從   DCV, A & ACV 刻度尺(最大量程為   10)上看到指針停在刻度約   5.8,表示量出的電壓為   5.8 V(圖十六)

 

(圖十六)所量得的直流電壓約   5.8 V

 

量度直流電流的方法
 
量度電流時,萬用電錶需和電路應作串接式使用。與量度直流電壓相近,將功能範圍選擇開關撥向檢測直流電流(DCmA的適當檔位,或先從最大檔位開始測量,例如   250 檔位表示最大可測出   250 mA(圖十七),最後從   DCV, A & ACV 刻度尺讀取電流值(圖十八)。注意若將紅黑錶針對調,會量出負電流值。
 
(圖十七)測量直流電流時的錶針接法,留意萬用電錶需和電路應作串接式使用

 

(圖十八)量出直流電流約   30 mA
 

類比式萬用電錶的操作已大致說明,只要多加練習便能熟習測量過程。電錶使用完畢後,請把開關關掉,即將檔位轉至   OFF,以免過於耗電。如電錶沒有   OFF 檔,可置於   ACV 檔的最大檔位。在實際使用時有疑問,請翻閱使用說明書。各位亦可在網上搜尋進階的操作方法和其他參數的測量步驟,在此不作詳述。
 
註:
1.                   類比式萬用電錶有內置電池,一般在量度歐姆檔時才會使用,因為電阻是被動零件,不能產生電流驅動電錶指針。如外加電源,有可能燒毀電錶。
 
2.                   測量未知的電壓或電流值,如先用低檔位量度,有機會因超過量度範圍,令針指迅速撥轉,繼而損毀電錶。安全做法是從高檔位開始測量,再因應情況切換較低檔位。
 
3.                   交流電壓 / 電流的量度方法與直流電壓 / 電流相同,需先選擇適當的交流測量檔位。有些價格較貴的數位式萬用電錶有自動選擇檔位功能,然而要略需等待顯示測量數值。
 
4.              並非每台電錶也有交流電的檔位,若你有測量交流電的需求,購買電錶時請注意商品的規格說明。   
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相信每個家中也有需要使用乾電池操作的電器,例如是手電筒、電子時鐘等。當發覺這些電器停止運作,或者效率降低時,最常見的原因是它們「沒電」了,通常更換電池後電器便回復正常工作。在丟棄一枚舊電池時前,大家有否想要測試它的壽命是否真的到了盡頭,還是仍可繼續作出點滴貢獻呢?
 
我們不妨使用萬用電錶測量舊電池的電壓。萬用電錶分為指針式和數位式兩類,以下使用指針式萬用電錶講述。或許你認為只要把電錶切換至適合的直流電壓檔位,將紅黑錶針分別接至電池正負極,便可測出電池電壓(圖一)。然而以這種方式量度不太正確,因為你大有機會看見電池近乎滿電的錯覺。原因是什麼呢?
 
圖一
 
 
現在假設電池接駁一個燈泡並點亮一段時間電池內的化學物質消耗使電池產生的電量下降輸出的電流減少燈光愈來愈暗我們也可以理解為電池內阻提高影響輸出電流(使用歐姆定律即可解釋)使用電錶直接量度電池兩端電壓我們以電路圖表達(圖二)
 
 
圖二
 
 
藍框為電池整體部份,為方便表達,電池內阻亦一同繪出,標示為   RB則為電池原來電壓,假設這枚是   1.5 V AA 電池,E = 1.5 V R為電壓錶的內阻,其阻值相較   R高很多,設為   1 M。量度電池電壓,即   ab 間的電壓差(Vab),並留意電路中   R和   R串聯。
 
前文談到電池內阻隨使用時間提高。如果電池使用初期   R為   1 ,當電池電量逐漸秏盡後   RB 增至   10 Ω(以上只是假設情況)。現分別計算   ab 間的電壓差   Vab
 
電池使用初期
當   RB = 1 ,電路電流   I = E / (RM + RB) = 1.5 V / (1 MΩ + 1 Ω) ≈ 1.4999985 µA
Vab = I x RM = 1.4999985 µA x 1 MΩ ≈ 1.4999985 V
 
電池使用後期
當   RB = 10 ,電路電流   I = E / (RM + RB) = 1.5 V / (1 MΩ + 10 Ω) ≈ 1.499985 µA
Vab = I x RM = 1.499985 µA x 1 MΩ ≈ 1.499985 V
 
從以上結果可以看到,因受電錶的高內阻   R支配,令量出的電池電壓也接近   1.5 V。從電錶看到電池電壓沒有明顯變化。亦較難分辨電池電量是否足夠。
 
 
相對準確的量度方法,是用一個負載(例如電阻)接至電池兩端,電錶並聯負載量度電池電壓如圖三,電路圖參見圖四:
 
 
圖三
 
 
圖四
 
 
R為新加入負載的阻值。若現設為   20 ,再次計算   ab 間的電壓差(Vab):
 
電池使用初期
當   RB = 1 ,電路電流   I = E / [(RM // RL) + RB] = 1.5 V / [(1 MΩ // 20 Ω) + 1 Ω] ≈ 1.5 V / 21 Ω ≈ 0.0714 A
Vab = I x (RM // RL) ≈ 0.0714 A x (1 MΩ // 20 Ω) ≈ 0.0714 A x 20 Ω ≈ 1.428 V
 
電池使用後期
當   RB = 10 ,電路電流   I = E / [(RM // RL) + RB] = 1.5 V / [(1 MΩ // 20 Ω) + 10 Ω] ≈ 1.5 V / 30 Ω ≈ 0.05 A
Vab = I x (RM // RL) ≈ 0.05 A x (1 MΩ // 20 Ω) ≈ 0.05 A x 20 Ω ≈ 1 V
 
從以上計算可知,加入負載電阻量度電壓明顯看到電池電壓的變化。
 

 
欲想物盡其用,可取出原本用於低內阻電器的電池,因該電池電壓下降再不能推動電器運作(如小型馬達等)。可嘗試將該電池放於高內阻電器中繼續使用(如電子鐘等)。
 
以下可用歐姆定律證明說法
 
當   R增加,設為   1 k,重覆以   RB = 10 Ω 計算   Vab
 
電路電流   I = E / [(RM // RL) + RB] = 1.5 V / [(1 MΩ // 1 kΩ) + 10 Ω] ≈ 1.5 V / 1,009 Ω ≈ 0.00149 A
Vab = I x (RM // RL) ≈ 0.00149 A x (1 MΩ // 1 kΩ) ≈ 0.00149 A x 999 Ω ≈ 1.489 V
 
現在電池電壓浮升接近   1.5 V,所以可在這部電器使用,至於能再「捱」多少時間,便要視乎電池內未耗掉的化學物質數量,別以為能不斷用於更高內阻的電器中。
 
註:
1.           以上論述的電池為非可充電的電池。
2.           須注意,某些電池因質量問題,電量秏盡或長久置放會漏出化學液體損壞電子產品。
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(以下內容摘錄自本人另一個同名部落格《創科小淘氣 The Little Electronics Mischief》: https://elec-mischief.blogspot.com/。歡迎按連結瀏覽更多電學基礎、電路設計心得等文章。)

圖片來源:http://imgfave.com/view/3209846
圖片來源:http://imgfave.com/view/3209846 
 
我們都知道高壓電纜是碰不得的,即使手未觸及但與電纜距離很近時,也有可能遭受電擊,嚴重更會致命。冬天或天氣乾燥時人們經歷最多的靜電,產生的電壓可達數百至上萬伏特時,你會驚訝為什麼鮮有聽聞因靜電令人死亡的新聞嗎?
 
事實上,觸電的危險程度不單取決於電源電壓的高低,其他考慮因素還包括身體的內阻、觸電時間長短、電的頻率、個人身體狀況等。人體積存的靜電,在接觸門柄或與另一人握手時,令高電壓靜電快速洩放,此時可以聽到跳火的嚦拍聲,有時更看見綠光,還有手像被拮了一下。但因電流流過身體的時間極短,對人體影響不大,只是我們大多被突如其來的觸電感覺嚇了一下。當然,接觸過大的電壓還是會有生命危險(如大自然的閃電)。
 
說回高壓電纜,平日不少雀鳥也悠然自得地站在架空電纜上歇息,牠們怎麼不會因觸電受傷呢?讓我們利用中學物理科所學到的歐姆定律(V = I x R)作簡單解釋,並且假設一些特殊情況,看看鳥兒能否避過燒焦的命運。
 
A)情境一:站在電纜上歌唱的小鳥
 
發電廠產生電能後,透過架空電纜及地底電纜輸電給每戶單位使用,以下只考慮架空電纜輸電。我們可用電路簡圖(圖一)表示電的傳輸:
 
圖一
 
要注意的是,實際上電是以交流電傳輸的。為簡化情況,我們可視發電廠為乾電池,輸出直流電。另外,各單位用電負荷,例如用作點燈、開空調等電器,因有不同內阻,並且是並聯的,可用電阻   RA, RB…R代表其不同的耗電量(為用電單位數目),而連接正電的導線便代表架空電纜。
 
現在有一隻飛得累的小鳥,打算站在電纜上休息一會,並順道飽覽優美的景色。(圖二)
 
圖二
 
所有物體也有大小不同內阻,小鳥亦然。試想一下,牠兩隻腳與電纜接觸,等同和電纜某一小段並聯。設小鳥內阻為   RBird,電路圖便如圖三:
 
圖三
 
電纜是良好導體,內阻很低,相較小鳥內阻而言,可忽略不計。細看圖三,無需計算也知道電大量流過電纜而非小鳥身體。電流對小鳥沒有影響,這解釋了牠不會觸電的原因。
 
當然,現實裡電纜是有內阻的,想像一下電纜由許多小電阻值的電阻串聯而成。假設電纜由發電廠至單位   長    1,000 ,內阻   10 Ω(電纜其餘長度存在的內阻忽略不計),分佈平均。並設小鳥雙腳之間距離近,即所橫跨的電纜短,只距離   10 厘米,計算出此段   10 厘米(0.1 )的電纜阻值為:
 
0.1 / 1,000 x 10 Ω = 0.001 Ω
 
我們再假設其他數值幫助計算和比較。設發電廠傳輸電壓   1,000 V小鳥身體內阻   20 kΩ,另外假設電只供應給兩個單位,而且有相同用電負荷,各為   100 ΩITotal 為總電流,IBird 為流經小鳥身體的電流。電路圖修改如下(圖四):
 
圖四
試計算   IBird
 
電路的總電阻阻值 = 9.999 Ω + 0.001 Ω + (100 Ω // 100 Ω) ≈ 60 Ω
(原本應計算小鳥內阻與   0.001 Ω 聯值,但數值變化太小則忽略之。)
 
ITotal = 1,000 V / 60 Ω ≈ 16.67 A
 
小鳥跨過   bc 兩端(即   0.001 Ω)所產生的電壓值:
 
0.001 Ω x 16.67 A = 0.01667 V(由於小鳥內阻與   0.001 Ω 並聯後的數值,相比   0.001 Ω 變化太小,因此忽略不計。)
 
流過小鳥的電流   IBird
 
0.01667 V / 20 kΩ ≈ 0.00000083 A(即    0.83 µA
 
從以上計算可知,流過小鳥的電流十分小,所以不足以對牠構成傷害。
 
B)情境二:愛玩「大字馬」的長腳鳥
 
到此,小鳥的故事還未完結。剛才說小鳥雙腳之間的距離近,因此與牠並聯的電纜內阻值小。我們大膽幻想世上存在奇特的鳥類,雙腳很長很長,可橫誇整條電纜。牠試圖在電纜上表演「大字馬」(圖五),看看貪玩的後果如何?
 
圖五
 
假設長腳鳥的身體內阻與剛才的普通小鳥相同,即是   20 kΩ牠大字型站在相同的電纜上,得出以下電路圖(圖六)。此時長腳鳥與阻值   10 Ω 的電纜並聯。試計算流過長腳鳥的電流   IBigBird 大小。
 
圖六
電路的總電阻阻值 = 10 Ω + (100 Ω // 100 Ω) ≈ 60 Ω
(原本應計算長腳鳥內阻與   10 Ω 聯值,但數值變化太小則忽略之。)

           ITotal = 1,000 V / 60 Ω ≈ 16.67 A
 
長腳鳥跨過   ac 兩端(即   10 Ω)所產生的電壓值:
         
           10 Ω x 16.67 A = 166.7 V(由於長腳鳥內阻 10 Ω 並聯後的數值,相比   10 Ω 變化太小,因此忽略不計。)
 
流過長腳鳥的電流   IBigBird
           
           166.7 V / 20 = 0.008335 A(即   8.335 mA
 
我們不知長腳鳥能承受多大電流而不致受傷,但相信牠已有觸電感覺,如不致命,大概也感到麻痺和疼痛。若天氣潮濕或長腳鳥的身體被水淋濕,此時牠的身體內阻會變低,流過牠身體的電流會更大,令牠遭到更嚴重的電擊。
 
即使長腳鳥身體十分乾燥,有另外一種情況也會令流過牠的電流加大,那就是當住戶同時使用更多電器。當一個單位使用電器愈多,即愈多電器內阻並聯,令電阻值降低,增加   ITotal 值,IBigBird 便按比例增加。
 
C)情境三:捨身為人的小鳥
 
最後,我們邀請最初出場的小鳥,叫牠站在電纜上。突然,電纜因不明原因在小鳥腳下斷裂。但這小鳥是隻反應快而且甚有人性的動物,在斷纜的電光火石間,牠試圖用雙腳勾著斷纜的兩端,希望繼續令供電正常(圖七)。牠的做法明智嗎?留意現在牠的身體和電纜串聯,電路圖如圖八。
 
圖七
圖八
 
計算流過小鳥的電流   IBird
 
電路的總電阻阻值 = 10 Ω + 20 kΩ + (100 Ω // 100 Ω) = 20,060 Ω
 
IBird = ITotal = 1,000 V / 20,060 Ω = 49.85 mA(因串聯電路關係,流過小鳥電流同為 49.85 mA。)
 
 而小鳥在兩腳之間的電壓值應為:
 
49.85 mA x 20 kΩ = 997 V
 
以這個大電流及高電壓通過小鳥身體,牠必定承受不了而觸電死亡。讓我們對牠表達沉痛哀悼。
 
以上各種例子和電路分析不一定需要逐次計算,只要熟習歐姆定律,理解電壓、電阻和電流值之間的關係便能幫助快捷思考,推算出大概結果。
 
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腦袋經過一輪計算工作,來一場小休也不錯。讓我和大家分享在網絡和書本上找到有關觸電的奇聞,以完結本篇文章。以下內容(修改自原文)信不信由你:
 
  1. 【身體帶電的人】1983 年有一名女護士,一覺醒來後發現自己身體帶電。先是起床梳洗時一觸摸到水龍頭,手臂有一陣像觸電一樣的麻痛,後來與人接觸,對方遭到強烈「電擊」感覺。更甚是當她穿著塑拖鞋行走時,鞋與地面間發出「吱吱」的放電聲。不過,這種身體帶電現象只維持一天,翌日醒來後便回復正常。
  2. 【不怕觸電的人】中國廣州有一名電工人,從當學徒起未有戴絕緣手套工作,因為他不怕觸電。不僅雙手各拿著   220 V 電源插座上的火線和中線時神態自若,有人拿試電筆在他身上測試,真的發現他全身帶電。
  3. 【電擊死後變超人】1987 年一名   37 歲前蘇聯女子曾因遭到   380 V 電擊死亡,竟在死亡兩天復活,更從此能用肉眼透視人體的內臟,還能透過柏油路面看清地層中的土質情況。
  4. 【一生遭雷擊七次的人】在   1942-1977 年這   35 年間,美國公園管理員蘇利文先生 (Roy Sullivan) 經過七次電擊。雖然電擊造成他身體不部位受傷但仍生還,成為人類有記錄以來被閃電擊中次數最多的人,列入健力士世界記錄大全。
  5. 【觸電成癮的人】來自印度的   54 歲達斯綽號「通電宗師」,他本是吸毒者。在一次意外觸電後體會到興奮感覺,自此上了癮,每天最少要「觸電」三次,每次只會與電線輕觸數秒,為免「樂極生悲」被電焦。
奇聞資料來源:
 
  • (第   1-3 段)傅民杰編譯(1989)。《中外奇聞薈萃》。北京:水利電力出版社。
  • (第   段)王培智譯(1998)。《物理解析》。台灣:財團法人徐氏基金會。
  • (第   段)《蘋果日報》台灣版。擷取自網頁https://tw.lifestyle.appledaily.com/daily/20040720/1094979/
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電學是物理學的分支學科,以電為研究對象。電是神奇的東西,它並非實物,非有形狀和可觸摸得到,但是你可在大自然中觀察到它的存在,早在公元前   585 年古希臘時已被發現——哲學家及科學家泰勒斯(Thales)留意到用布摩擦過的琥珀可吸引輕小物件,例如碎草、羽毛等。英文的電字「electricity」就是源於從希臘文的「琥珀」,elektron。東漢思想家王充在著作《論衡‧亂龍》亦提到「頓牟掇芥」這摩擦起電的現象。其他國家在不同時期,在不同情況下也發現電的存在,例如會發射電擊的發電魚,當然還有大自然的閃電現象等。當時人們對電一無所知,這類現象大概會被視作神秘的力量吧。好奇的學者便對此加以研究,並逐漸發展出電學理論,也衍生次領域如電路學、電子學、電磁學等。
 
琥珀的顏色與太陽色彩相似,古希臘遂稱之為「太陽之子」(elektron)。(圖片來源:網上)
琥珀的顏色與太陽色彩相似,
古希臘遂
稱之為「太陽之子」(elektron)。
(圖片來源:網上)
 
 
我們現在受惠於發達的電子科技,例如手提電話、電力照明系統、電視、音響、計時器……這些發明都不過是一、二百年的事。在此,我們應向努力不懈,付出心力研究電學的科學家致敬。談到電學的發展,歷史上有數位標誌性的人物和重要的發展里程是不容忽視的。上文提到的靜電現象,後來英人格雷(Stephen Gray1666 - 1736)發現可將物質分為導電體和非導電體,靜電可分佈在導體內。法國的庫侖(Charles Augustin de Coulomb1736 - 1806)更經實驗證實靜電和萬有引力一樣,兩個帶電體的相互作用力,與兩者的電量成正比,與它們的距離二次平方成反比,得出庫侖定律。
 
 
弗萊明1904年第一次研發的真空管原型。
(圖片來源:Wikipedia
有時候,重要的物理現象在不經意間被發現,但當事人還未及想到如何應用。1883 年,發明燈泡的愛迪生(Thomas Alva Edison1847 - 1931)就在一次燈炮實驗中,在燈泡加上金屬片,當接上電流錶和引線後發現有電流通過,但金屬片和燈絲沒有接觸,怎會這樣呢?當時沒人能夠解釋這個「愛迪生效應」。直至在十九世紀末,英國物理學家湯姆生(J.J.Thomson1856 - 1940)透過陰極射線證實電子的存在後,英國的弗萊明(John Fleming1849 - 1945)便釐清這現象是由於發熱的燈絲激發電子從負極射出,跳到正極的金屬片,形成電流。他更利用這原理,最後在   1904 年發明了真空二極管,從此一石激起千層開展電子學的真空管時期。後人經過不斷改良製造出三極甚至四極五極真空管更有效地用於控制電流信號放大和振蕩器中這項發明令當時許多電子器材如音響放大器收音機發射機等應運而生更在 1946 年製造出第一台真空管計算機,稱作電子式數字積分電腦(Electronic Numerical and Computer,簡稱   ENIAC)。它由   18,000 個真空管組成,長   50 呎,闊   30 呎,體積龐大。然而,真空管有不少缺點,例如體積大、耗電、效率低、成本高、壽命短等,促使人們發展被喻為二十世紀重要發明的電晶體。1948 年電晶體在美國貝爾電話實驗室中面世,得要感謝發明它的三位物理學家蕭克利(William Shockley1910 - 1989)、巴定(John Bardeen1908 - 1991)和布拉頓(Walter Brattain1902 - 1987)。數年後電晶體投入商業化生產,進入電子學的電晶體時期。
 
第一台電子式數字積分電腦   ENIAC (圖片來源:http://www.computerhistory.org 

 

積體電路的不同封裝。
(圖片來源:http://electroiq.com  
電晶體是組成電腦的主要零件。現今一臺電腦,由超過數十萬顆電晶體、二極體、電容、電阻等組成。為什麼小小的盒子裡能藏著這龐大數量的零件呢?這便有賴積體電路(集成電路)的發展。積體電路(Integrated CircuitIC)就是將許多微小零件組成在一塊晶片上,再封裝而成。初時小型積體電路包含不超過   100 個零件,後來發展出中型、大型、超大型、極大型積體電路,一顆   IC 內零件數量可達數百萬以上!此後,電子產品便因   IC 的急速發展,趨向更小、運算速度高、高效率、便宜,因此各類電子產品功能不斷提高,但價錢不斷下跌。
 
 
以上所敍述簡史不過是電學發展的其中一隅。科學家還在磁、馬達、無線電、數位電路等作專門的研究,為通訊和電力等發展作出偉大的貢獻。電學的範圍十分廣博,雖然理論較為抽象,不過只要打好學習基礎,加上多點注意身邊細節,便能容易將知識融會貫通,利用所學創造新穎而便利生活的東西。
 
 
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