維基少年:樹莓派/電子學入門
電是能量的一種形式，大多數能量起源於太陽。
能量守恆定律指出能量既不能被創造也不能被消滅；它只能被轉化或從一種形式轉移到另一種形式。例如：
- 陽光到電能 - 太陽能板
- 陽光到熱能 - 太陽能爐
- 化學能到電能 - 電池
導體是允許電流輕鬆透過的材料。電子是圍繞原子核旋轉的微小粒子。在導體中，電子與原子核的結合很鬆散，可以自由移動。這意味著當電流施加到導體時，電子可以在電流方向上流動。
一些導體的例子包括：
- 金屬，如銅、金和鋁
- 水和其他含有離子（帶電原子）的液體
- 石墨，一種碳形式
導體以多種方式使用，包括：
- 製造電線和電纜
- 製造電氣裝置的部件，例如家用電器和計算機
- 製造加熱元件，例如用於爐子和其他電器的加熱元件
絕緣體是不同意電流輕鬆透過的材料。絕緣體中的電子與原子核的結合非常緊密，無法自由移動。這意味著當電流施加到絕緣體時，電子無法流動，電流被阻擋。
一些絕緣體的例子包括：
- 塑膠
- 橡膠
- 玻璃
- 木材
- 空氣
絕緣體以多種方式使用，包括：
- 用於覆蓋電線和電纜以防止電流洩漏
- 用於製造電氣絕緣體，例如用於電力線和電源插座的絕緣體
- 用於製造隔熱材料，例如用於住宅和建築物以在冬季保持熱量和在夏季保持涼爽的隔熱材料
半導體是其特性介於導體和絕緣體之間的材料。透過新增雜質或施加電場，可以控制它們的電導率。
半導體被用於許多不同的電子裝置，例如電晶體、二極體和積體電路。這些器件被用於計算機、智慧手機和其他電子裝置。
想象一下，導體就像高速公路，絕緣體就像鄉村道路。電子就像汽車。在高速公路上，汽車可以快速輕鬆地行駛。在鄉村道路上，汽車必須慢行，並更加小心。
在導體中，電子可以自由移動，就像高速公路上的汽車一樣。對於絕緣體，電子無法像鄉村道路上的汽車一樣自由移動。
測量電力的主要單位有 4 個。每個單位都以在其相關領域做出重大發現的科學家命名。
| 型別 | SI 單位 | 發現者 | 描述 |
|---|---|---|---|
| 電流 | 安培 (A) |  | 電流是電子的流動。 |
| 電壓 | 伏特 (V) |  | 電壓是推動電子的力量。 |
| 電阻 | 歐姆 (Ω) |  | 電阻是減小電流的力量。 |
| 功率 | 瓦特 (W) |  | 功率是能量在一段時間內的消耗量。 |
水流過管道
- 電壓就像管道中的水壓。電壓越高，流過管道的流量就越大。
- 電阻就像管道的寬度。管道越窄，流過管道的流量就越小。
- 電流就像流過管道的流量。電流越大，流過管道的流量就越大。
- 功率就像水完成的工作量。功率越高，完成的工作量就越大。
 | 在歐姆定律公式中，電流縮寫為大寫 I。 |
歐姆定律指出電流（以安培為單位測量）與電壓（以伏特為單位測量）成正比（這意味著存在一致的比率）。由此，可以計算出電阻（以歐姆為單位測量）。
- 電壓 = 電流 × 電阻
- 電流 = 電壓 ÷ 電阻
- 電阻 = 電壓 ÷ 電流
找到電流、電壓或電阻很容易。只需用手遮住你要找的三個中的哪一個！🤚
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例如：兩節 AA 電池（每節提供 1.5 伏電壓）為一輛玩具車供電。電池的電壓為 3 伏，玩具車馬達的電阻約為 1 歐姆，電流約為 3 安培。
- 玩具車馬達的實際電流和電阻可能因馬達型別而異。
- 電池在放電時電壓會下降。這意味著電池放電時電流也會下降，這會導致汽車隨著時間的推移而行駛速度變慢。
- 如果玩具車馬達行駛速度更快，它將消耗更多電流。這是因為馬達在加熱時電阻會降低。
我們使用的許多單位都由法國的國際單位制 (SI) 機構定義和標準化，包括安培、伏特和歐姆。
SI 字首應該很熟悉，因為我們每天都在使用它們，例如米 (m) 和克 (g)。這可以避免我們寫出很多零。每個字首都乘以單位（大寫字母字首）或除以單位（小寫字母字首）。
| 字首 | 值 | 標準形式 | 符號 |
|---|---|---|---|
| 太拉 | 1 000 000 000 000 | 1012 | T |
| 吉 | 1 000 000 000 | 109 | G |
| 兆 | 1 000 000 | 106 | M |
| 千 | 1 000 | 103 | K |
| 分 | 0.1 | 10-1 | d |
| 釐 | 0.01 | 10-2 | c |
| 毫 | 0.001 | 10-3 | m |
| 微 | 0.000 001 | 10-6 | μ |
| 納 | 0.000 000 001 | 10-9 | n |
| 皮 | 0.000 000 000 001 | 10-12 | p |
希臘字母 mu (μ) 用於微。您可能熟悉千克 (1000 克) 或釐米 (0.01 米)。
這些元件中的大多數都可以從愛好者商店、eBay 賣家或電子元件批發商（如 RS Components 和 Farnell）以低廉的價格購買。
麵包板用於構建和測試電子電路，而無需將元件焊接在一起。它們是可重複使用的，元件在麵包板上使用後也是可重複使用的。
所有垂直線（通常標為 A–E 和 F–J）在列中連線。因此，進入點 1A 的電流也到達 1B、1C、1D 和 1E。但行之間沒有連線，因此進入點 1A 的電流不會到達 2A、3A 等等。
一些麵包板在頂部或底部也有額外的行，它們垂直連線，用於正極和負極。我們不使用那種麵包板，如果您使用的是，請忽略電路板頂部和底部的行。有時，這些行用加號 + 和減號 − 標記或用紅色和藍色標記。
電容器儲存少量電荷，然後充滿後就釋放所有電荷。
- 如果您將其連線到強電荷，它會更快地釋放電荷。
- 如果您將其連線到弱電荷，它需要更長的時間才能釋放電荷。
電容器有一個短腿和一個長腿，以及一側的一條條紋。與 LED 一樣，它們必須與短腿和條紋連線到負極（接地）。
杜邦跳線用於將元件連線到麵包板，並且與 Raspberry Pi 的 GPIO 引腳相容。
跳線的顏色無關緊要，但建議使用黑色表示接地。
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 | LED 對電路中的高電流很敏感，可能會損壞。始終在將 LED 連線到電路時使用合適的電阻。 |
發光二極體 (LED) 發光，並且是可程式設計的，這意味著您可以使用軟體（例如 Raspberry Pi 上的 GPIO）來控制它們。它們還具有其他優點
- 它們更加節能
- 它們不需要先加熱才能發光，大多數 LED 只產生很少的熱量
- 它們比其他燈泡小
- 它們有各種各樣的顏色可供選擇
較低的值（較低的歐姆）電阻將允許更多電流透過，使 LED 更亮；較高的值將允許更少的電流透過，使 LED 更暗。
開關透過允許電流在按下時流動來完成電路。釋放後，電流停止。
有三種類型的開關
- 瞬時開關需要持續按下才能保持按下。
- 撥動開關在按下後會保持按下，需要某種東西才能將其鬆開。
- 簧片開關是一個玻璃管，裡面有兩個金屬片，中間隔著一個小間隙。當附近有磁鐵時，兩塊金屬片會接觸並允許電流透過。請小心謹慎地使用簧片開關，因為玻璃很容易破裂。
光電管或光敏電阻是一種可變電阻器，它根據檢測到的光量提供不同的電阻。它們在光線更多時允許更多電流透過。
壓電蜂鳴器在電流透過時發出蜂鳴聲。它有兩個“腿”聯結器；一個長一個短。長腿必須連線到正極，短腿必須連線到接地（負極）。
下方：IEC 符號（在英國很常見）
電阻器是由一根簡單的線圈製成的，用於降低電路中的電流，因此，它可以在電路中以任何方式連線而不會斷路。電阻本身以歐姆 (Ω) 為單位測量，每個電阻器上的彩色條帶表示每個電阻器能夠新增到電路中的電阻大小。
您可能會認出電路圖中使用的電阻器符號
- 美國電阻器符號是一個鋸齒形，表示線圈。
- IEC 電阻器符號只是一個矩形框，通常會在裡面寫上電阻值。IEC 符號是英國標準，在整個英國使用。
每個電阻器上的彩色條帶顯示它能提供的精確電阻。這包括容差，這在電流發生意外變化時非常有用。
條帶顏色是黃色、紫色、紅色和金色。
- 第一條帶 – 元件值的第一個有效數字（左側）。
- 第二條帶 – 第二個有效數字（一些精密電阻有第三個有效數字，因此有五條帶）。
- 倍率 – 尾隨零的數量，或 10 的冪倍率。
- 容差 – 如果存在，則以百分比表示（無帶表示 20%）。
上面的示例電阻具有紅色、紫色、綠色和金色色帶環。讓我們找出它能提供多少電阻
- 第一條帶 – 紅色 = 2
- 第二條帶 – 紫色 = 7
- 倍率 – 綠色 = ×100000 (×105)
- 容差 – 金色 = ±5%
參考下表，我們可以看到該電阻提供的電阻值為 2700000 歐姆或 2.7 兆歐姆 (MΩ)，容差為 ±5%。
| 顏色 | 程式碼 | 有效數字 | 倍率 | 容差 |
|---|---|---|---|---|
| 無 | - | - | - | ±20% |
| 粉紅色 | PN | - | ×0.001 (×10−3) | - |
| 銀色 | SR | - | ×0.01 (×10−2) | ±10% |
| 金色 | GD | - | ×0.1 (×10−1) | ±5% |
| 黑色 | BK | 0 | ×1 (×100) | - |
| 棕色 | BN | 1 | ×10 (×101) | ±1% |
| 紅色 | RD | 2 | ×100 (×102) | ±2% |
| 橙色 | OG | 3 | ×1000 (×103) | ±0.05% |
| 黃色 | YE | 4 | ×10000 (×104) | ±0.02% |
| 綠色 | GN | 5 | ×100000 (×105) | ±0.5% |
| 藍色 | BL | 6 | ×1000000 (×106) | ±0.25% |
| 紫色 | VT | 7 | ×10000000 (×107) | ±0.1% |
| 灰色 | GY | 8 | ×100000000 (×108) | ±0.01% |
| 白色 | WH | 9 | ×1000000000 (×109) | - |
此電阻顏色程式碼表已從維基百科上的電子顏色程式碼文章簡化。
樹莓派通用輸入輸出 (GPIO) 引腳
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每個樹莓派型號都有一系列 40 個引腳，稱為通用輸入輸出 (GPIO) 引腳。GPIO 引腳可用於供電和控制電子元件。
- 板編號 – 從左下角的 1 開始，向上和向右，一直到 40。
- BCM 編號（博通編號） – 是樹莓派處理器檢視引腳連線的方式。
你可以在樹莓派的
終端程式中執行pinout命令，以獲取有關 GPIO 引腳的資訊（以及特定樹莓派型號的硬體規格）。此外，有關更多資訊，請參閱：https://pinout.xyz/pinout/pin40_gpio21/
Cotswold Jam 還提供了一個 A4 列印的 GPIO 引腳參考，你可以將其放在你的樹莓派旁邊：Paper-gpio-ruler.pdf
進一步閱讀
[edit | edit source]這些書籍推薦用於進一步瞭解樹莓派和學習電子學。
參考書目
[edit | edit source]| 標題 | 作者 | 年份 | ISBN |
|---|---|---|---|
| 樹莓派探險 | Carrie Philbin | 2014 | 978-1-11-899753-6 |
| GCSE 實用電子學 | Michael McLoughlin | 1989 | 978-0-09-173044-4 |
| 實用電子學：完整入門 | Andy Cooper, Malcolm Plant | 2016 | 978-1-47-361407-1 |
| 電子學傻瓜指南 | Dickon Ross, Cathleen Shamieh, Gordon McComb | 2010 | 978-0-47-068178-7 |
| 樹莓派食譜 | Simon Monk | 2014 | 978-1-449-36522-6 |
網路連結
[edit | edit source]半導體的工作原理
[edit | edit source]本教程包括二極體、LED 和電晶體，會變得更專業。
遠端學習 – 教程
[edit | edit source]- http://www.instructables.com/id/Basic-Electronics/
- http://www.electronics-tutorials.ws/
- http://www.electronics-tutorials.com/index.htm
華夏公益教科書
[edit | edit source]華夏公益教科書有自己的關於電子學的書，內容比這本書詳細得多。