動手學科學/物質科學I/基本電路

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電阻與歐姆定律

原始設計者:張又懿;張鈞祺

目的

從一顆小小的電阻帶入,了解什麼是電阻,與電流、電壓有什麼關係?從生活中的體驗讓同學們了解各種電子元件的功能與用途。

原理

以下的三個探究活動,都運用了電阻值可改變的元件之特性與其他電子元件搭配使用。

光敏電阻

光敏電阻主要是利用光電導效應的一種特殊的電阻,當有光線照射時,電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激發,成為自由電子。 光電導效應或光電導,是電磁波入射到物體表面導致其電導率變化的現象,是內光電效應的一種。 光敏電阻就是我們俗稱的「半導體」,也就是有時候是導體,有時候不是,是導體時,就是有一股能量(比如光)進來,電子受到激發,開始流動,就導電了。

製造光敏電阻的主要成分是「硫化鎘」,「硫化鎘」只要遇到光裡頭的電子就會被激發,成為導體,電流就有辦法流過,也就是「導電了」。 工程師運用硫化鎘的這種特性,放在元件的頂端,製造了光敏電阻,讓我們能製作以上實驗。

繆誤

光敏電阻與光敏二極體不一樣,原理不同,雖然「功能」一樣,「功效」卻不一樣,用在不同的地方。用法也不同,光敏二極體通常會著重於「二極體」這個特性。

熱敏電阻

熱敏電阻與光敏電阻一樣,都是因為某種能量的激發而成為自由電子,導致導電。 NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫,意思是負的溫度係數,泛指負溫度係數很大的半導體材料或元器件,所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度係數熱敏電阻器。

它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料, 採用陶瓷工藝製造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質,因為在導電方式上完全類似鍺、矽等半導體材料。溫度低時,這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數目少,所以其電阻值較高;隨著溫度的升高,載流子數目增加,所以電阻值降低。

NTC熱敏電阻器在室溫下的變化範圍在10O~1000000歐姆,溫度係數-2%~-6.5%。 NTC熱敏電阻器可NTC熱敏電阻器廣泛用於測溫、控溫、溫度補償等方面。

NTC(Negative Temperature Coefficient)是指隨溫度上升電阻呈指數關係減小、具有負溫度係數的熱敏電阻現象和材料。該材料是利用錳、銅、矽、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷,可製成具有負溫度係數(NTC)的熱敏電阻。其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化。現在還出現了以碳化矽、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。

NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷,具有負的溫度係數,電阻值可近似表示為:式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值,Bn為材料常數。陶瓷晶粒本身由於溫度變化而使電阻率發生變化,這是由半導體特性決定的。

補充知識:硒化錫

硒化亞錫,又稱一硒化錫,是一種無機化合物,化學式為SnSe。它是窄帶隙(IV-VI)半導體,人們對其在低成本光伏器件和存儲器開關器件的應用有著相當大的興趣。硒化亞錫是典型的層狀金屬硫屬化物,即第16族陰離子(Se2-)和正電性元素陽離子(Sn2+)以層狀結構排列。

紅外線接收器

紅外線接收器其實也是一種電阻值會變化的「電阻」,它的電阻值因為紅外線而改變。

紅外線是波長介乎微波與可見光之間的電磁波,其波長在760奈米(nm)至1毫米(mm)之間,是波長比紅光長的非可見光,對應頻率約是在430 THz到300 GHz的範圍內。室溫下物體所發出的熱輻射大多都在此波段。

紅外線感測分為兩種,一種是主動式的,主動式的紅外線感測器,感測器本身會發射紅外線光束,當紅外線被物體擋住後,紅外線光束就會反射,紅外線接收器會接收反射的紅外線,做出動作。

電晶體

簡單理解來說,他就是「電敏電阻」 電晶體也稱為雙極性接面電晶體 (BJT),是一種由電流驅動的半導體元件,可用於控制電流流動;其中,基極引線中的少量電流可控制集極和射極之間較大的電流。電晶體可以用來放大微弱的訊號、當作振盪器或開關。

歐姆定律

I = 電流 V = 電壓 R = 電阻

 I = V/R

活動

辨認電阻值

電阻的單位是歐姆,看起來像這樣Ω 黑 0 棕 1 紅 2 橙 3 黃 4 綠 5 藍 6 紫 7 灰 8 白 9

照光就會跑的車

用吹風機吹跑的車

碰到障礙物會停下來的車

探究問題

  1. 電阻值越大,在電壓不變的情況下,電流是越大還是越小?為什麼?
  2. 電阻值的大小取決電線的那些變因?
  3. 感應器上的數值通常是從哪裡得來的?根據元件的什麼變化?

自走車實作活動

原始設計者:張鈞祺;張又懿

目的

讓學生們學習使用簡單的材料,去調整車子的結構,去做出一台性能最好的自走車。

原理

電能透過輪子轉換成動能,將車子向前推進。

活動

製作要領

  1. 先將一張A4紙對折。

  1. 在其中一邊畫上喜歡的形狀。

  1. 將形狀剪下,然後黏貼在底板上

  1. 接著將形狀剪下

上坡比賽

將車子放在不同坡度的斜坡上,挑戰車子爬坡的極限。

  1. 在輪子上黏一些熱熔膠,可以增加車子的抓地力
  2. 車子的重心如果放在車子的後面容易導致車子向後翻。
  3. 同樣重量的車子四輪的爬坡力通常比三輪來的好。

推力比賽

透過改變車子的結構來獲得最大的推力。

  1. 增加車子的重量,讓車子比較不容易被推走。
  2. 如果在木頭桌面上比賽的話,學生們可以黏上砂紙產生較大的摩擦力,如果是水泥地則不建議。

在雪地上,人們也會加上鍊子來止滑。

探究問題

  1. 前輪驅動還是後輪驅動的車子,跑的必較快,推力比較大。
  2. 一個輪子還是兩個輪子的車子跑的比較快。
  3. 上坡時馬達應該轉的快還是慢比較好。

補充資料

更進階的電子電路

延伸到自動控制

  • 參考書目:
    • 祺懿樂園:創客攻略