電壓與電流的基本知識

The Firmware Handbook

電壓和電流是電氣工程中不可或缺的基本概念。電壓作為推動電流的力量，而電流則是電荷的流動。理解這些基本原理有助於我們更深入地探索電氣系統的運作及其在日常生活中的應用。

電壓是驅動電流流動的力量，定義為兩個點之間的電勢差。它在電氣系統中扮演著關鍵角色，能夠促使電子在導體中移動。電壓的單位是伏特（V），1伏特等於每庫侖電荷移動一焦耳的能量。可以將電壓想像成水管中的水壓，水壓越高，水流的速度和流量也就越大。

電流是指電荷在導體中的有序流動，通常以安培（A）為單位。電流的大小取決於電壓和電阻之間的關係，根據歐姆定律（Ohm's Law），電流 II 等於電壓 VV 除以電阻 RR（即 I=VRI=RV​）。這意味著在固定的電阻下，電壓越高，電流也會越大。

在原子中，電子的數量不足或過剩會形成離子。當原子失去電子時，會形成帶正電的陽離子；而當原子獲得電子時，則形成帶負電的陰離子。這些離子之間的吸引力是電流流動的基礎，因為它們會在電場的影響下移動，形成電流。

電動勢（Electromotive Force，簡稱 EMF）是指在電路中推動電流流動的能力。它不是一種實際的力，而是一種能量的表現，通常由電池或發電機提供。EMF的大小決定了電流的強度，並且在電路中形成了電壓的驅動力。電動勢的單位也是伏特。

基本概念

• 電荷：電荷以庫侖（Coulombs）為單位進行測量，一個庫侖相當於 6.25 × 10^18 個電子（負電荷）或質子（正電荷）。
• 安培：安培（Ampere，簡稱 A）是指每秒鐘有一庫侖的電荷流過某一點。
• 電壓：電壓（Voltage）是兩點之間的電動勢。當一安培的電流流過這兩點時，它做的功為一焦耳（Joule），也就是每秒鐘一瓦特（Watt）的功率。

實際應用

儘管上述定義提供了電壓和電流的基本理解，但實際上，大多數電氣工程師在日常工作中並不會記住這些定義，也不會直接使用它們。實際應用中，我們更多地依賴實際測量值和經驗，來設計和分析電路。

例如，在設計電源電路時，我們會測量電壓以確保它在正確的範圍內，並使用電流表來檢查電流大小，以確保電路正常運行。這些測量結果有助於確定元件的選擇和電路的安全性，而不僅僅依賴於理論上的計算。

簡單來說，理解基本的電學原理對於設計和維護電路非常重要，但在實際工作中，這些概念通常是通過實際測量和經驗來應用的。

電流與電壓的比喻

電流就像是管道中單位時間內流過的水量，而電壓則像是水的壓力。

在水管系統中，水流量指的是單位時間內通過管道的水量。類似地，電流是指單位時間內通過電路某一點的電荷量。當我們說電流很大時，就像水管中水流量很大，這意味著有大量的水（或電荷）在流動。在家裡的水管中，如果你打開水龍頭，水流會流出來，流出的水量就是水流量。如果你打開得越大，水流量就越大。同樣，在電路中，電流的大小可以通過增加電壓來增大，也可以通過減少電阻來增大，類似於調節水龍頭來改變水流量。

水壓是指推動水流通過管道的力量。高水壓意味著水被強力推動，能夠流得更快、更遠。電壓在電路中起著類似的作用，它是推動電子流動的力量。電壓越高，電子的推動力越強，電流也可能越大，前提是電路的其他條件（如電阻）不變。

當你使用水管清洗車子時，如果水壓很高，水流會強而有力，清洗效果更好。這相當於電壓高時，能推動更多的電子流過電路，增加電流。相反，低水壓會使水流變弱，類似於低電壓時，電子流量較少，電流也較小。

根據歐姆定律，電流（I）等於電壓（V）除以電阻​。如果水管的直徑（類似於電阻）變小，即使水壓保持不變，水流量（電流）會減少。同樣，如果電路中的電阻增加，電壓不變的情況下，電流會減少。

電流與電壓的單位

• 電流：電流的單位是安培（Ampere，簡稱 Amp）。在計算機領域中，安培的數量通常非常大，而大多數數位和類比電路所需的電流都遠低於安培量級。
• 電壓：電壓（Voltage）則是電流在兩點之間流動的推動力。用水流的比喻來說，這就像是水管中的水壓。

嵌入式系統中的電壓範圍

大多數嵌入式系統使用的電壓範圍相對較小：

• 數位邏輯和微處理器的電源：這些通常使用1伏特（V）到5伏特（V）之間的電壓。這個範圍適合大多數數位電路和微處理器。
• 類比電源：類比電路的電壓範圍很少超過正負15伏特。這是因為大多數類比電路不需要比這更高的電壓來運行。
• 傳感器信號：某些傳感器的輸出信號可能低到毫伏（mV，0.001伏特）範圍。例如，溫度傳感器可能提供非常小的電壓變化，這要求高精度的測量設備來捕捉這些微弱的信號。
• 無線接收器：無線接收器能夠檢測微伏（µV，10^-6伏特）級別的信號，這需要高度複雜的噪音抑制技術來保證信號的準確性。

這些不同的電壓範圍和電流要求反映了各種電子設備和電路的運作需求，從低功耗的嵌入式系統到高靈敏度的無線接收器，電壓和電流的管理對於確保系統的穩定性和性能至關重要。