目錄

・電壓和電流基礎・電壓和電流的測量方法・電壓與電流的關係・實際應用示例・測量誤差和精度

直流電路中的電壓和電流是電子設備的核心要素。電壓是表示不同兩點之間的電勢差的物理量；電流是表示電荷在一定時間內的移動量的物理量。在本頁面中，我們將透過介紹電壓和電流的基礎知識、直流電和交流電的區別、測量儀器的選擇和使用方法等廣泛的知識，來深入探索電的世界。

電壓和電流基礎

直流電路基礎

在基本的直流電路中，電流以安培（A）為單位進行測量，電壓以伏特（V）為單位進行測量。電流是電荷的流動，透過電壓—即電位差（電勢差）的推動在電路中流動。電子被質子吸引，形成電子流，而後又流向質子。這種電子的流動稱為“電流”。電子因其所流經的材料會對電子的流動施加限制而不能自由地在電路內流動。這種限制被稱為“電阻”。

可見，直流電路是電流只沿一個方向流動的電路。直流電是由電池或太陽能電池板等電源供電的電力形態。直流電路的基本概念是：電流沿恒定方向流動，這會受電阻影響並產生電壓降，在電路中，當電壓V 和電阻R 確定時，電流I 遵循歐姆定律。

而交流電路（AC）則是電壓和電流週期性地改變方向和大小的電路。在電路中，電壓V(t)取決於時間t。

電壓基礎

電壓的科學定義

電壓（Voltage）是電路中的一個重要物理量，表示對電子流動的推動力。這種受電場影響而產生的力，會使電子從一點移動到另一點。更具體地講，電壓是指兩點之間的電位差，表示單位電荷在移動時所經歷的功或能量變化。其單位用伏特（Volt，符號：V）表示。

電壓的基礎公式

電壓也可以根據歐姆定律 V=IR（其中 I 表示電流，R 表示電阻）進行計算。

\(V=IR\)

其中，I表示電流，R表示電阻。

透過該公式可以看出，電壓等於電流乘以電阻。

另外，還有一個表示能量與電荷之間關係的公式，其中電壓V以焦耳每庫侖（ J/C）進行測量，1伏特（1V）是 1 庫侖的電荷作 1 焦耳的功時的電壓，可以用公式表示如下：

\(W=QV\)

其中，V表示是電壓（伏特），W表示功（焦耳），Q表示電荷（庫侖）。

電壓在日常生活中的應用示例

在我們的日常生活中，電壓被以各種形式廣泛應用。下面是一些應用示例：

電池電壓：手機、遙控器、手錶等設備都是透過電池提供電壓來工作的。常見的AA電池的電壓為1.5伏

家用插座：日本家用插座提供的電壓通常為100V。該電壓能夠為日本家用電器提供工作所需電能。

汽車電池：汽車電池可提供12伏的電壓，用於啟動發動機和驅動電子設備。

太陽能電池板：太陽能電池板利用陽光產生電壓並提供電能。一般太陽能電池板可產生數十伏至數百伏的電壓。

電壓的重要性

電壓對於電子設備的工作至關重要。如果沒有提供適當的電壓，設備將無法正常工作，另外，如果電壓過高，可能會使設備損壞。因此，在設計和使用電子設備時，正確瞭解和管理電壓是非常重要的。

電流基礎

電流的定義和影響

電流（Current）是表示導體內電子運動的物理量。電場對電子施加力，使電子在導體內移動。具體而言，電流錶示單位時間內流過的電子量，其單位是安培（A）。

電流對電子設備的影響非常大，對其運行至關重要，電流過大會或不合適可能會導致設備損壞或故障。

電流的單位

電流的單位是安培（A），其定義為1安培相當於1秒內有1庫侖的電荷透過。用公式表示如下：

\(I = tQ\)

其中，I表示電流（安培），Q表示電荷（庫侖），t表示時間（秒）。

電流對電子設備的影響

電流對電子設備有很多影響。其主要影響包括：

發熱：電流流過導體時，會因導體內部的電阻造成能量損耗，從而產生熱量。這是電子設備發熱的主要原因之一。

電磁場輻射：當電流流動時，會在周圍產生電磁場。當流過的電流較大時，可能會影響電子設備和周圍其他的設備。

機械應力：流過較大電流會使導體產生機械應力。這可能會導致電線和連接器損壞。

安全的電流處理

要想讓電子設備的安全運行，就需要有適當的電流管理。

下面是一些基本準則：

適當絕緣：處理電流的設備和導體必須進行適當絕緣。絕緣不當會增加短路和觸電的風險。

適當控制電流：需要控制大電流並使用保護電路和保險絲來防止過電流，這點很重要。

適當的佈線：佈線要有耐受所流電流的能力，需要選擇合適規格（粗細）的電線。

適當的設計：設計電子設備時，需要考慮到電流控制和冷卻，這點也非常重要。

適當的培訓：處理電流的作業人員應接受適當的培訓，並具備能夠安全工作的知識和技能。

減少電流影響的對策

正確的設計和測試對於減少電子設備中的電流影響而言至關重要。在電路設計中，通常需要正確計算電流並根據需要配備限流電阻和保險絲。另外，在設備測試階段，要測量電流並確認是否存在意外狀態，這是非常重要的。

歐姆定律與電流

電流也適用歐姆定律V=IR（其中V表示電壓，R表示電阻）。根據歐姆定律，如果電壓恒定，電流將隨電阻值的改變而變化。電子設備的設計人員可利用這一定律來控制電路中的電流。

電壓和電流的測量方法

測量儀器的種類和選擇方法

電壓和電流測量儀器的分類

用來測量電壓和電流的儀器和儀錶有很多。具有代表性的測量工具如下：

萬用表（數位/類比）：一種可用來進行電壓、電流、電阻等多種測量的通用測量儀器。數位型萬用表的測量精度很高，且易於讀取資料；而類比型萬用表則適合用來直觀地捕捉變化的趨勢。

鉗形表：一種將導線夾入鉗口來測量電流的測量儀器。該工具不需要物理接觸，適合用來捕捉電流的急遽變化。

示波器：能夠以圖像的方式顯示出電壓隨時間的變化情況的儀器。常被用來進行複雜的電信號表現和高頻分析。

測量儀器的選擇標準

選擇測量儀器時，應考慮到以下幾點：

測量範圍：需要確認其量程是否支援要測量的電壓或電流範圍。特別是在處理大電流和高電壓時，選擇量程合適的測量儀器是非常重要的。

精度和解析度：應根據測量目的來選擇具有所需精度和解析度的測量儀器。對精度要求較高時，可使用數位萬用表。

安全性：應確認測量儀器是否符合安全標準，選擇尤其是在高電壓和危險環境中使用時也具有足夠安全性的測量儀器。

使用目的：針對特定應用（例如家用電器的檢查、工業用電力線路的監測等）選擇合適的測量儀器非常重要。

正確的電壓和電流測量步驟

基本測量步驟

要想準確測量電壓和電流，需要以下步驟：

測量儀器的選擇：要選擇量程適合所測電壓和電流範圍的測量工具，比如萬用表和鉗形表。

測量儀器的校準：為確保讀取資料準確，測量儀器需要定期校準。

連接：要正確地將測量儀器連接電路。測量電壓時需要並聯，測量電流時需要串聯。

環境的確認：確認可能會影響測量精度的外部因素（溫度、濕度、電磁干擾等），並根據需要進行調整。

資料的讀取和記錄：仔細讀取測量資料，必要時進行記錄。

常見錯誤及對策

測量範圍選擇錯誤：如果測量範圍太小，可能會損壞測量儀器；反之如果太大，則會降低測量精度。測量前應確認適當的測量範圍。

連接不當：測量電流時未與電路串聯連接，測量電壓時未與電路並聯連接，都無法準確測量。

忽略環境因素：環境因素可能會影響測量結果。例如，高溫和高濕的環境可能會降低測量儀器的性能。

測量技巧

• 在穩定狀態下進行測量：確認待測電壓或電流處於穩定狀態後再開始測量。

• 進行連續測量：不是僅測量一次，而是多次測量並取平均值，這樣可以獲得更準確的資料。

• 測量儀器的維護：定期維護保養測量儀器，以確保測量準確。

電壓與電流的關係

歐姆定律

歐姆定律是定義直流電路中電壓、電流、電阻之間關係的基本定律。根據該定律，電壓V、電流I及電阻R之間的關係如下：

如果希望瞭解更多詳細資訊，請查閱“歐姆定律：解明電路基礎”。

\(V=IR\)

其中各項的含義如下：

· V（電壓）：電壓表示電流在電路中流動的力。其單位為伏特（V）。

· I（電流）：電流表示電子在電路中移動的量。其單位為安培（A）。

· R（電阻）：電阻表示阻礙電流流動的元素。其單位為歐姆（Ω）。

歐姆定律可以概括為以下幾點：

電壓（V）等於電流（I）與電阻（R）的乘積。

當電流在恒定條件下流動時，電壓和電阻之間存在線性關係。這是歐姆定律的基本特性。

當電阻較大時，要想維持恒定電壓，就需要更高的電壓。相反，如果電阻較小，則用較低的電壓足以獲得相同的電流。

歐姆定律的應用

作為電子學的基本原理，歐姆定律的應用非常廣泛。以下是一些應用示例：

電阻設計：在電阻設計中使用歐姆定律，有助計算所需的電阻值。

電流控制：在電流控制應用中使用歐姆定律，有助在電路內維持特定電流值。

電壓降計算：在計算較長的電線或電路中的電壓降時，歐姆定律有助預測電壓降的情況。

電路分析：在電路分析應用中使用歐姆定律，有助瞭解電路中電壓和電流的分佈情況。

歐姆定律在電子電路的設計和分析中發揮著核心作用。理解和應用這一定律有助深入瞭解電子設備的工作原理，進而高效地進行故障排除和電路設計。

串聯和並聯電路中電壓和電流的動作

串聯電路的基本概念

串聯電路是多個電子元件串聯連接，電流透過一條路徑流動。在串聯電路中，流過所有元件的電流量是相同的。但是各元件的電壓是不同的，總電壓等於每個元件的電壓之和。

串聯電路的公式

• 電流（I）是恒定的。也就是說，流過串聯電路中各元件的電流是相同的。

\(I_{total}=I_1=I_2=I_3=･･･\)

• 電壓（V）分為各元件的電壓，總電壓為電源電壓（E）。各元件的電壓分配與其電阻值成正比。

\(V_{total}=V_1+V_2+V_3+･･･\)

並聯電路的基本概念

並聯電路是多個電子元件以各自獨立的路徑連接。在並聯電路中，所有元件上施加的電壓相同，但流經每條路徑的電流量不同。總電流等於各路徑電流之和。

並聯電路的公式

• 電壓（V）是恒定的。即並聯電路中各元件兩端的電壓相同。

\(V_{total}=V_1=V_2=V_3=･･･\)

• 電流（I）分為各元件的電流，總電流為電源電流（I）。各元件的電流分配與其電阻值成反比。

\(I_{total}=I_1+I_2+I_3+･･･\)

電路設計和分析中串聯和並聯的區別

在電子電路設計中，需要瞭解這些特性並根據應用需求來配置元件。例如需要均勻電壓的LED燈最好並聯，而需要不同電壓的元件則最好串聯連接。

串聯和並聯的實際應用

在串聯電路中，如果一個元件發生故障，整個電路都無法正常工作。而在並聯電路中，即使一條路徑發生故障，其他路徑也不受影響。這一特性就是在對可靠性要求很高的設計中首選並聯電路的原因。

實際應用示例

電壓、電流在家用電器中的應用

電壓和電流在家用電器中的作用

家用電器是為了使日常生活更加舒適和高效而設計的。這些產品設計得能夠在特定電壓和電流下工作，其中電壓為產品提供能量，電流決定產品消耗該能量的速度。例如，當電熱水壺的工作電壓為100V、功耗為800W時，其電流為I=VP=100V800W=8A。

家用電器的安全使用

正確控制電壓和電流對於安全使用家用電器而言至關重要。請注意以下幾點：

使用符合產品規格的電源：需要選擇符合產品電壓和電流要求的電源。

過電流保護：家用電路通常會配備用來防止過電流的斷路器或保險絲。

適當的電線和插頭：使用粗細合適，且能夠耐受電流的電線，以及符合產品規格的插頭是非常重要的。

有效應用示例

• 選擇能效比高的產品：選擇功耗低的產品可以降低能源成本，有利環保要求。

• 瞭解額定功率：透過瞭解產品的額定功率，可以瞭解使用電器產品時的電流負荷，確保電氣線路的安全。

電氣產品安全使用建議

• 定期維護：對電氣產品進行定期維護並及早發現故障跡象非常重要。

避免過負載：同時使用多種電氣產品時，需要注意避免電路過負載。

電壓和電流在工業用電子設備中的重要性

工業設備中電壓和電流的管理

電壓和電流管理對工業用電子設備而言非常重要。這些設備常常需要處理高電壓和大電流，因此需要正確的管理。妥當管理電壓和電流，可以大幅提高設備性能，並盡可能降低故障和事故的風險。工業馬達需要在特定電壓條件下保持正常工作，電流過大或過小都可能降低效率甚至使設備損壞。

大幅提高工業設備性能的電壓和電流優化

要想大幅提高工業設備的性能，對電壓和電流進行優化非常重要。其中包括根據設備的額定電壓和電流值適當調整供電電源。

大幅提高工業設備性能和安全性的適當管理示例

定期維護和檢查：要想及早發現電壓和電流異常，維護設備的性能和安全，必須進行定期維護。

配備過電流保護功能：使用保險絲和斷路器可以防止過電流，保護設備安全。

電源的品質管理：要確保穩定供電，就需要管理電源的品質（電壓波動、雜訊等）。

工業電子設備安全使用建議

• 適當的培訓和知識儲備：操作人員要擁有電壓和電流的基本知識，並瞭解如何安全地使用設備，這非常重要。

• 遵守安全標準：關於設備的設計和使用，必須遵循國際安全標準和業界標準。

測量誤差和精度

測量誤差的原因及對策

測量誤差的常見原因

造成測量誤差的因素有很多。常見原因有：

儀器誤差：當測量儀器本身精度不足或沒有正確校準時，就會造成測量誤差。

操作失誤：測量儀器使用不當或設置錯誤會造成誤差。

環境因素：溫度、濕度和電磁干擾等環境因素可能會影響測量值。

樣品波動：被測物件的不均勻性或狀態變化也會造成誤差。

防止測量誤差的措施

可以採取以下措施來大幅減少測量誤差：

測量儀器的選擇和校準：選擇高精度的測量儀器並定期校準是非常重要的。

正確的操作和設置：需要正確瞭解測量儀器的操作方法，並進行正確的設置。

環境條件的管理：保持測量環境穩定，盡可能減少外部影響。最好將溫度和濕度保持在一定範圍內。

樣品均質化：確認被測物件物的均勻性，並根據需要準備樣品。

高精度測量技巧

o 反覆測量：在相同條件下進行多次測量，並確認資料的一致性。

o 資料記錄與分析：詳細記錄測量資料，檢測異常值並分析趨勢。

o 充分利用專業知識：擁有測量技術和儀器相關的專業知識，用適當的方法進行測量。

高精度測量技巧

高階測量手法

差分測量法：差分測量法可以有效提高測量精度。這是一種透過測量兩個相似條件下的訊號差異，來消除共模雜訊和誤差的手法。

四端測量法：四端測量法適用於低值電阻的測量。透過用兩個電極測量電流，另外兩個電極測量電壓，可以減少由於接觸電阻和引線電阻而產生的誤差。

提高準確性的努力

環境控制：高精度的測量需要穩定的環境。透過控制溫度、濕度、電磁干擾等因素，確保測量環境穩定。

校準和基準：測量儀器必須定期校準。另外，使用高精度的參考基準源，可以提高測量的可靠性。

高精度測量的實用方法

反覆測量：透過在相同條件下多次測量，確認資料的一致性和可靠性。

資料分析技術：對所測得的資料進行統計分析，鎖定誤差原因，找出提高精度的改善措施。

專業知識的應用：充分利用測量方法和測量儀器選擇等專業知識，選擇合適的測量手法。