维基少年:树莓派/电子学入门

什么是电？

电是能量

电是能量的一种形式，大多数能量起源于太阳。

能量守恒定律指出能量既不能被创造也不能被消灭；它只能被转化或从一种形式转移到另一种形式。例如：

阳光到电能 - 太阳能板
阳光到热能 - 太阳能炉
化学能到电能 - 电池

导体和绝缘体

导体

导体是允许电流轻松通过的材料。电子是围绕原子核旋转的微小粒子。在导体中，电子与原子核的结合很松散，可以自由移动。这意味着当电流施加到导体时，电子可以在电流方向上流动。

一些导体的例子包括：

金属，如铜、金和铝
水和其他含有离子（带电原子）的液体
石墨，一种碳形式

导体以多种方式使用，包括：

制造电线和电缆
制造电气设备的部件，例如家用电器和计算机
制造加热元件，例如用于炉子和其他电器的加热元件

绝缘体

绝缘体是不同意电流轻松通过的材料。绝缘体中的电子与原子核的结合非常紧密，无法自由移动。这意味着当电流施加到绝缘体时，电子无法流动，电流被阻挡。

一些绝缘体的例子包括：

塑料
橡胶
玻璃
木材
空气

绝缘体以多种方式使用，包括：

用于覆盖电线和电缆以防止电流泄漏
用于制造电气绝缘体，例如用于电力线和电源插座的绝缘体
用于制造隔热材料，例如用于住宅和建筑物以在冬季保持热量和在夏季保持凉爽的隔热材料

半导体

半导体是其特性介于导体和绝缘体之间的材料。通过添加杂质或施加电场，可以控制它们的电导率。

半导体被用于许多不同的电子设备，例如晶体管、二极管和集成电路。这些器件被用于计算机、智能手机和其他电子设备。

导体与绝缘体

想象一下，导体就像高速公路，绝缘体就像乡村道路。电子就像汽车。在高速公路上，汽车可以快速轻松地行驶。在乡村道路上，汽车必须慢行，并更加小心。

在导体中，电子可以自由移动，就像高速公路上的汽车一样。对于绝缘体，电子无法像乡村道路上的汽车一样自由移动。

电流、电压、电阻和功率

测量电力的主要单位有 4 个。每个单位都以在其相关领域做出重大发现的科学家命名。

类型	SI 单位	发现者	描述
电流	安培 (A)	安德烈-玛丽·安培	电流是电子的流动。
电压	伏特 (V)	亚历山德罗·伏特	电压是推动电子的力量。
电阻	欧姆 (Ω)	格奥尔格·欧姆	电阻是减小电流的力量。
功率	瓦特 (W)	詹姆斯·瓦特	功率是能量在一段时间内的消耗量。

水流过管道

电压就像管道中的水压。电压越高，流过管道的流量就越大。
电阻就像管道的宽度。管道越窄，流过管道的流量就越小。
电流就像流过管道的流量。电流越大，流过管道的流量就越大。
功率就像水完成的工作量。功率越高，完成的工作量就越大。

欧姆定律

在欧姆定律公式中，电流缩写为大写 I。

欧姆定律指出电流（以安培为单位测量）与电压（以伏特为单位测量）成正比（这意味着存在一致的比率）。由此，可以计算出电阻（以欧姆为单位测量）。

电压 = 电流 × 电阻
电流 = 电压 ÷ 电阻
电阻 = 电压 ÷ 电流

找到电流、电压或电阻很容易。只需用手遮住你要找的三个中的哪一个！🤚

玩具汽车示例

例如：两节 AA 电池（每节提供 1.5 伏电压）为一辆玩具车供电。电池的电压为 3 伏，玩具车马达的电阻约为 1 欧姆，电流约为 3 安培。

玩具车马达的实际电流和电阻可能因马达类型而异。
电池在放电时电压会下降。这意味着电池放电时电流也会下降，这会导致汽车随着时间的推移而行驶速度变慢。
如果玩具车马达行驶速度更快，它将消耗更多电流。这是因为马达在加热时电阻会降低。

SI 前缀

我们使用的许多单位都由法国的国际单位制 (SI) 机构定义和标准化，包括安培、伏特和欧姆。

SI 前缀应该很熟悉，因为我们每天都在使用它们，例如米 (m) 和克 (g)。这可以避免我们写出很多零。每个前缀都乘以单位（大写字母前缀）或除以单位（小写字母前缀）。

前缀	值	标准形式	符号
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
厘	0.01	10^-2	c
毫	0.001	10^-3	m
微	0.000 001	10^-6	μ
纳	0.000 000 001	10^-9	n
皮	0.000 000 000 001	10^-12	p

希腊字母 mu (μ) 用于微。您可能熟悉千克 (1000 克) 或厘米 (0.01 米)。

电子元件

这些元件中的大多数都可以从爱好者商店、eBay 卖家或电子元件批发商（如 RS Components 和 Farnell）以低廉的价格购买。

面包板

面包板用于构建和测试电子电路，而无需将元件焊接在一起。它们是可重复使用的，元件在面包板上使用后也是可重复使用的。

所有垂直线（通常标为 A–E 和 F–J）在列中连接。因此，进入点 1A 的电流也到达 1B、1C、1D 和 1E。但行之间没有连接，因此进入点 1A 的电流不会到达 2A、3A 等等。

一些面包板在顶部或底部也有额外的行，它们垂直连接，用于正极和负极。我们不使用那种面包板，如果您使用的是，请忽略电路板顶部和底部的行。有时，这些行用加号 + 和减号 − 标记或用红色和蓝色标记。

电容器

电容器存储少量电荷，然后充满后就释放所有电荷。

如果您将其连接到强电荷，它会更快地释放电荷。
如果您将其连接到弱电荷，它需要更长的时间才能释放电荷。

电容器有一个短腿和一个长腿，以及一侧的一条条纹。与 LED 一样，它们必须与短腿和条纹连接到负极（接地）。

杜邦跳线

杜邦跳线用于将元件连接到面包板，并且与 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚兼容。

跳线的颜色无关紧要，但建议使用黑色表示接地。

发光二极管 (LED)

发光二极管 (LED) 发光，并且是可编程的，这意味着您可以使用软件（例如 Raspberry Pi 上的 GPIO）来控制它们。它们还具有其他优点

它们更加节能
它们不需要先加热才能发光，大多数 LED 只产生很少的热量
它们比其他灯泡小
它们有各种各样的颜色可供选择

较低的值（较低的欧姆）电阻将允许更多电流通过，使 LED 更亮；较高的值将允许更少的电流通过，使 LED 更暗。

开关

开关通过允许电流在按下时流动来完成电路。释放后，电流停止。

有三种类型的开关

瞬时开关需要持续按下才能保持按下。
拨动开关在按下后会保持按下，需要某种东西才能将其松开。
簧片开关是一个玻璃管，里面有两个金属片，中间隔着一个小间隙。当附近有磁铁时，两块金属片会接触并允许电流通过。请小心谨慎地使用簧片开关，因为玻璃很容易破裂。

光电管

光电管或光敏电阻是一种可变电阻器，它根据检测到的光量提供不同的电阻。它们在光线更多时允许更多电流通过。

压电蜂鸣器

压电蜂鸣器在电流通过时发出蜂鸣声。它有两个“腿”连接器；一个长一个短。长腿必须连接到正极，短腿必须连接到接地（负极）。

电阻器

上方：美国符号

下方：IEC 符号（在英国很常见）

电阻器是由一根简单的线圈制成的，用于降低电路中的电流，因此，它可以在电路中以任何方式连接而不会断路。电阻本身以欧姆 (Ω) 为单位测量，每个电阻器上的彩色条带表示每个电阻器能够添加到电路中的电阻大小。

您可能会认出电路图中使用的电阻器符号

美国电阻器符号是一个锯齿形，表示线圈。
IEC 电阻器符号只是一个矩形框，通常会在里面写上电阻值。IEC 符号是英国标准，在整个英国使用。

电阻器色环

每个电阻器上的彩色条带显示它能提供的精确电阻。这包括容差，这在电流发生意外变化时非常有用。

**练习：**你能找到这个电阻器的电阻吗？

条带颜色是黄色、紫色、红色和金色。

第一条带 – 元件值的第一个有效数字（左侧）。
第二条带 – 第二个有效数字（一些精密电阻有第三个有效数字，因此有五条带）。
倍率 – 尾随零的数量，或 10 的幂倍率。
容差 – 如果存在，则以百分比表示（无带表示 20%）。

上面的示例电阻具有红色、紫色、绿色和金色色带环。让我们找出它能提供多少电阻

第一条带 – 红色 = 2
第二条带 – 紫色 = 7
倍率 – 绿色 = ×100000 (×10⁵)
容差 – 金色 = ±5%

参考下表，我们可以看到该电阻提供的电阻值为 2700000 欧姆或 2.7 兆欧姆 (MΩ)，容差为 ±5%。

颜色	代码	有效数字	倍率	容差
无	-	-	-	±20%
粉红色	PN	-	×0.001 (×10⁻³)	-
银色	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%
红色	RD	2	×100 (×10²)	±2%
橙色	OG	3	×1000 (×10³)	±0.05%
黄色	YE	4	×10000 (×10⁴)	±0.02%
绿色	GN	5	×100000 (×10⁵)	±0.5%
蓝色	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)	-

此电阻颜色代码表已从维基百科上的电子颜色代码文章简化。

树莓派通用输入输出 (GPIO) 引脚

每个树莓派型号都有一系列 40 个引脚，称为通用输入输出 (GPIO) 引脚。GPIO 引脚可用于供电和控制电子元件。

板编号 – 从左下角的 1 开始，向上和向右，一直到 40。

BCM 编号（博通编号） – 是树莓派处理器查看引脚连接的方式。

你可以在树莓派的终端程序中运行pinout命令，以获取有关 GPIO 引脚的信息（以及特定树莓派型号的硬件规格）。此外，有关更多信息，请参阅：https://pinout.xyz/pinout/pin40_gpio21/

Cotswold Jam 还提供了一个 A4 打印的 GPIO 引脚参考，你可以将其放在你的树莓派旁边：Paper-gpio-ruler.pdf

进一步阅读

这些书籍推荐用于进一步了解树莓派和学习电子学。

参考书目

标题	作者	年份	ISBN
树莓派探险	Carrie Philbin	2014	978-1-11-899753-6
GCSE 实用电子学	Michael McLoughlin	1989	978-0-09-173044-4
实用电子学：完整入门	Andy Cooper, Malcolm Plant	2016	978-1-47-361407-1
电子学傻瓜指南	Dickon Ross, Cathleen Shamieh, Gordon McComb	2010	978-0-47-068178-7
树莓派食谱	Simon Monk	2014	978-1-449-36522-6

网络链接

半导体的工作原理

本教程包括二极管、LED 和晶体管，会变得更专业。

http://engineering.nyu.edu/gk12/amps-cbri/pdf/Basic%20Electronics.pdf

远程学习 – 教程

维基教科书

维基教科书有自己的关于电子学的书，内容比这本书详细得多。