自製非接觸型驗電筆_PNP型

這也是未來可能放入「家電醫生實作延伸班」的系列課程之一

驗電筆是很重要的工具

基本上是三用電表無法完全取代的

接觸型和非接觸型各有優缺點，沒有誰取代誰的問題

之前曾經做過4017型的非接觸型驗電筆

但我不喜歡一開始就從IC開始說

因此用PNP再做了一個簡易型的

為甚麼不用NPN？

細節我也不是很清楚，但實作結果告訴我

PNP比NPN效果要更好

可以參考之前用NPN做的這個

經過幾年的經驗

改成如下的電路

偵測器的部分變成一個0.22微法的電容

可以將交流電場變成直流電

這樣進去PNP的電子流會更穩定

改變不同的容值也可以偵測不同的頻率和調整靈敏度

不過LN若靠太近會無法分辨

只能偵測電線(電器)此時是否帶電

若偵測到較大的電場(離電線較近或頻率較高的電源)

蜂鳴器也會叫

做好像這樣

影片如下

自保持開關_NPN+PNP型(改良版)

之前做過一版NPN+PNP型的自保持開關

簡化了一下電路

再加上一個電晶體放大才能加上relay

電路圖如下

集成後像這樣

可以當作家電醫生實作延伸班的練習模組了

自保持開關_光電二極體型

家電醫生自從要開啟「實作延伸班」之後

又要開始開發可以讓大家方便理解又能自製的家電小模組

其中一定要會的就是輕觸開關的電路(自保持電路)

這個電路之前已經說過很多模式了

包含最簡單的光敏電阻型，或npn + pnp組合電路

進階一點的雙穩態電路

到利用555和主流的40xx

或也可以直接用TRIAC，但沒有隔離的情況下不建議初學者使用

但這次想要順便講光耦的概念

才能順便過渡到SSR

因此又重新設計了一個新的電路

基本上就是從LDR型的概念衍伸出來的

在B極連接一個光電二極體

C極串接IR

IR和光電二極體利用熱縮套包在一起

當IR亮的時候光電二極體就能持續對B極供電

就是光耦的基本模組

這個教具就可以將兩個模組串在一起

電路圖如下

繼電器的部分再用一個npn放大

同時加上一個指示燈

這樣我們的教具就完成了

影片如下

集成好像這樣

會考後的實作課

當然就是做電磁學實驗啊~~

電磁學和熱效應放在三下的結果就是很多實驗只能輕輕帶過

會考後學生又處於一片無腦狀態

因此帶一些DIY可能還能喚醒部分青春的靈魂

基本上材料儘量簡單(因為老師要自己出錢)

不要用太多工具，一節課可完成，成功率也要高

不能太無聊，最好還能滿足一下老師有教學成分

磁效應的部分就選擇紙杯喇叭和簡易馬達

電磁感應的部分就是搖搖發電

這幾個實驗很多材料都可以共用

喇叭用0.15mm的漆包線繞20-30圈

捲在食指上就差不多符合給大家的磁鐵大小

再直接用膠帶貼在紙杯底部

利用連接器和音源線對接，可以增加成功率

製作速度也比較快

當然撥放器的部分就我來準備

聽到聲音的瞬間其實就會有滿滿的成就感~~

第二節做簡易馬達

當然要先簡單說一下原理

還有和原本課本設計的雙集電環差異

用0.5mm漆包線繞10圈左右即可

磁鐵當然就是上一節課紙杯喇叭的磁鐵繼續用

漆包線約60-80公分就夠

上課前老師先裁好比較方便

0.5mm比較不容易打結，可以預先準備沒關係

0.15mm就不這麼建議了

基座請他們準備橡皮擦就好

電池也請學生自備(學生家裡一定有，就不要再買了)

微調一下，成功率也很高

最後再將剩餘的漆包線圈和大吸管組合

中間剛好就可以放入原先準備的磁鐵

一樣用之前的連接器和LED串接

再用萬用黏土固定在吸管上

兩端用衛生紙塞緊

搖搖發電機也就搞定了

留下最後一個理化課的美好回憶

值得的~~

維修吊扇

房間吊扇忽然轉很慢

拆開看看吧

這時候就知道個子矮有多可憐...

裡面的電路基本上並聯成電燈和風扇

先把電燈的部分拆下

吊扇的電容是四線式的

基本上就是兩個電容合在一起而已

因為吊扇的功率較大

因此在調整功率的時候阻抗變化也比較大

這時就需要改變容值，才能調出最適合的相位差

因此不像普通電扇只有一個啟動電容

吊扇通常都會有兩組

拆下測試，8微法是正常的

但5微法那組測不到電容

試試看電阻值，正常來說應該測到一個極大的電阻

如8微法這組

但5微法的電容卻只有92歐

這很明顯有短路了

但我手邊沒有這樣的四線電容

不過我只要換掉5微法的就可以

8微法就沿用原先這組

內部空間夠塞入兩個啟動電容的

線不是很長

所以選擇用連接器來做

接好之後先測試再裝機

搞定了~~

磁場的單位6

在電流磁效應的實際應用中，很少單純只有線圈的形式

因為經驗告訴我們，M場的貢獻很大...

因為H場內如果有磁性材料存在

產生的B場是數百甚至數千、數萬倍的放大

而這個放大的倍率簡單來說就是磁導率μ決定

如果這個磁性物質的磁性變化是隨著電流呈現線性的(通常這都是簡化的結果)

這個線性變化的比率就稱為磁化率Xm

因此M = Xm*H

μ = μ0(1+Xm)

根據 B = μ0(H+M)

我們就可以得到某物質的磁導率μ = B/H

但磁導率也不是一個定值，通常會隨著H變化

若是真空μ = 4π× 10^-7 = 1.2566371 × 10^-6，也就是μ0(真空磁導率)

μ(Fe)  > 1000 × 10^-6 

μ(Co) > 100 × 10^-6 

μ(Ni) > 100 × 10^-6 

μ(Al) = 1.2566650 × 10^-6

^{μ(Pt) =1.2569701 x10-6}

^{μ(Cu) =1.2566290 × 10-6}

可以發現鐵鈷鎳相對於其他金屬大上許多

這就是我們為甚麼說鐵鈷鎳屬於磁性物質的關係

這個磁導率太小，不好用

所以實際上我們反而比較常用磁導係數，μr 來表示比較直觀

μr  = μ/μ0 ，也就是和真空磁導率的比值

若μr ＞ 1 ，順磁性物質，可增強磁場

μr  ＜ 1，反磁性物質，可削弱磁場

若μr ＞ 1，如鐵鈷鎳，可能會到數百至數萬

但μr  ＜ 1，如銅，卻都很接近1，大部分幾乎可以視為1

這就是為甚麼我們會在製作電磁鐵的時候加入鐵芯的原因了

磁場的單位5

上一篇說到MKS趁隙統一了ESU 和 EMU 兩大體系

靠的就是將電流的定義統一並制定為基本單位

升格為MKSA!!(來賓請掌聲鼓勵~~)

也就是說電流不再是用力學單位推導出來的式子( 1 A = 2 × 10^-7N/m ，這是甚麼鬼!!)

而是一個可以放諸四海皆準的物理量(跟質量、長度、時間一樣)

不會因為其他定義的改變而被更動(這就是基本單位的特性)

放在不同體系只要加上某個常數就可以換算

在電學就是介電常數(或稱真空介電常數)ϵ0

在磁學就是磁場常數(或稱真空磁導率)μ0 

因此MKSA在處理有電又有磁的情況時

像是高斯定律或是馬克示威方程式的時候，雖然公式看起來很複雜

因為單位轉換都收進公式當中(也就是有一堆常數)

如下

但結果出來之後不需要再做單位轉換

直接可以連動

反而相對比較單純

庫倫定律剛好就相反了

雖然CGS寫出來的公式很單純

其中k = 1，q ≡ esu，r ≡ cm，F ≡ dyne

但實際上若要換算成我們熟悉的庫侖(C)，公尺(m)，牛頓(N)

就要再做一次單位換算(因為esu的定義和C不同)

也就是

如下的結果

因此高斯派雖然在20世紀的單位戰爭中失去的優勢

但在處理點電荷或點磁荷時相對簡單的優勢還是讓很多死忠紛絲不忍放棄

加上CGS已經用了那麼久

要改，絕對不是一朝半夕能做到的事

就像我們習慣用公制單位

但一說到腰圍馬上就變成25吋、30吋

跟你說腰圍70公分還沒人懂呢

所以到現在很多人在講地磁大小時還是用0.5高斯(高斯派)來形容

若要說成是50微特斯拉(MKS)當然也沒問題

因為G和T都是用相同的基本單位定義

也都屬於B場的單位

但如果用0.5Oe的地球磁場來稱呼(Oe也是CGS的磁場單位啊)

雖然陳述的數量級是相同的，可能多數人(?)也都能了解

但實際上G和Oe卻分屬兩個集團(B場和H場)，意義是不一樣的

(可以換算，但物理意義不同)

有點像是蝙蝠俠大戰鋼鐵人的概念，怎麼打！

可憐的厄斯特，Oe就這樣被時代拋棄了...

不過，實際在科學的應用上

MKSA或者應該講SI，還是大多數人的選擇

因此在表示磁場時

還是用B = μ0( H + M )會更貼切

而且在不同磁性材料的環境中

有磁導率μ的介入反而更好形容

待續