电流、电压、供电与电源

电流的单位是安倍（简写为A），电压的单位是伏特（简写为V）。在电压相等的情况下，电流越大，消耗的电能越多。初中阶段，我们学习过功率的概念，电流与电压的乘积为电功率（用符号P表示）。在使用Arduino之前，我们需要了解日常生活中常见电源的电流电压情况。

而类似Arduino控制板的一系列常见微控制电路，本身的工作电流在mA级别，工作电压一般在5V（也可以采用更高的电压进行供电，后续会介绍）。因此，常见的手机充电器、充电宝、电脑USB口，一般均可以为Arduino进行供电。
普通的5号电池，如果进行串联，电压会相应提高，所以串联的5号电池组同样可以为Arduino进行供电。
只有Arduino供电电路形成闭合回路，才能正常工作。在技术交流中，也会使用“电源”和“接地”符号来方便描述。就电池供电的情况而言，“电源”对应“正极”，“接地“对应“负极”。Arduino UNO板上共有三组接地口，他们均是彼此相连的。

电池	接地	直流电	交流电

电阻

电阻器的简称为电阻，单位为欧姆（简写为），电阻是最为基本的电子元器件。

在Arduino控制板上，有小型的贴片电阻；在日常实验中，也会用到薄膜电阻。


电阻能够阻碍电流的流动，几乎所有电路都需要电阻参与，以保证电路的良好运行。如正极与负极之间没有任何电阻器，会发生短路，电路时的电流较大，热量会快速积累，很有可能发生过热意外。

参考资料：精准测量电阻

根据欧姆定律，电阻阻值的测量可通过测量电阻两端电压V与流经电阻的电流I来实现。下图为理想的测量情形，电压表直接测得电阻两侧电压，此测量结果未受导线压降影响。

不论是近距离还是远距离测量阻值，测量结果都会受到导线压降的影响而造成精确度的损失，远距离测量时由于导线造成的压降更大而造成不可忽略的影响。然而实际测量中受限于某些条件而只能远距离测量电压，此时由于远距离测量中大电流流经长导线造成了不可忽视的压降，而对测量电阻阻值造成影响。

解决此问题的一个方案就是四端点测量技术。下图方案，远距离测量时，电压表便无需被置于被测电阻处，而是由单独导线引至电流表附近。由于流经此单独导线的电流值（亦即电压表电流值）与流经被测电阻的电流值相比，小到近似可以忽略（电压表内阻极大），因此支路导线未造成足够影响测量结果的压降，此时所测电压与电流表所测电流之比可近似认为是被测电阻阻值。此原理同样适用于近距离精准测量。

二极管

二极管具有单向导电性，只允许电流从阳极流向阴极。二极管具有两不对称电导的电极（故名“二极”），只允许电流由单一方向流过，所以最常应用其整流功能。
在半导体性能被发现后，半导体二极管成为了世界上第一种半导体器件。现如今的二极管大多是使用硅来生产，锗等其它半导体材料有时也会用到。

二极管的微距照片，左端黑色方形物为半导体

70年代北京电子厂生产的二极管

不同的二极管功能不尽相同，如普通二极管可以防止电流反向流动，而发光二极管可以提供光源。

发光二极管（英语：light-emitting diode，缩写为LED）是能发光的半导体电子元件，透过三价与五价元素所组成复合光源。此种电子元件早在1962年出现，早期只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。及后发展出其他单色光的版本，时至今日，能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度亦提高到相当高的程度。随着白光发光二极管的出现，用途已由初期的指示灯及显示板等指示用途，逐渐发展至近年的照明用途。时至今日，大多数的手机屏幕、电源指示灯以及绝大多数的家用照明灯，都使用的是LED光源。它的成本低、能耗低、响应速度快。

南京地铁珠江路站的LED指示牌(早期摄影)
发光二极管只能够往一个方向导通（通电），叫作正向偏置，当电流流过时，电子与电洞在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。
2014年凭借“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”，日本工程学家天野浩与赤崎勇、中村修二共同获得诺贝尔物理学奖。
在Arduino Uno板上，13号脚连接着一个小型LED灯，我们已经在实例1中，用内置的“Blink”程序点亮过LED灯。

参考资料：二极管发明历史

20世纪初，由于无线电接收器探测器的需要，热离子二极管（真空管）和固态二极管（半导体二极管）大约在相同的时间分别研发。直到20世纪50年代之前，真空管二极管在收音机中都更为常用。这是因为早期的点接触式半导体二极管（猫须探测器）并不稳定，并且那时大多数的收音机放大器都是由真空管制成，二极管可以直接放入其中。而且那时真空管整流器和充气整流器处理一些高电压、高电流整流任务的能力更是远在半导体二极管（如硒整流器）之上。
真空管的发现
1873年，弗雷德里克·格思里（Frederick Guthrie）发现了热离子二极管的基本操作原理。他发现了当白热化的接地金属接近带正电的验电器时，验电器的电会被引走；然而带负电的验电器则不会发生类似情况。这表明了电流只能向一个方向流动。
1880年2月13日，托马斯·爱迪生也发现了这一规律。当时，爱迪生正在研究为什么他的碳丝灯泡的灯丝几乎总是在正极端烧断。他有一个密封了金属板的特殊玻璃外壳灯泡。利用这个装置，他证实，发光的灯丝会有一种无形的电流穿过真空与金属板连接，但只有当板被连接到正电源时才会发生。爱迪生随即发明了一种电路，他的特殊灯泡有效地取代了直流电压表中的电阻。在1884年，爱迪生被授予了此项发明的专利。由于当时这种装置实际上并不能看出实用价值，这项专利更多地是为了防止别人声称最早发现了这一所谓“爱迪生效应”。
20年后，约翰·弗莱明（爱迪生前雇员）发现了这一效应的实用价值，它可以用来制作精确检波器。1904年11月16日，第一个真正的热离子二极管——弗莱明管，由弗莱明在英国申请了专利。
固态二极管
1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩发现了晶体的“单向传导”的能力，并在1899年将晶体整流器申请了专利。氧化亚铜和硒整流器则是在1930年代为了供电应用而发明的。

卡尔·布劳恩，诺贝尔物理学奖获得者
印度人贾格迪什·钱德拉·博斯在1894年成为了第一个使用晶体检测无线电波的科学家。他也在厘米和毫米级别对微波进行了研究。1903年，格林里夫·惠特勒·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard）发明了硅晶检波器，并在1906年11月20日注册了专利。也正是因为格林里夫，使得晶体检波器发展成了可实用于无线电报的装置。其他实验者尝试了多种其他物质，其中最广泛使用的是矿物方铅矿（硫化铅），因它价格便宜且容易获取。在这些早期的晶体收音机集的晶体检波器包括一个可调节导线的点接触设备（即所谓的“猫须”）。可以通过手动调节晶体表面上的导线，以获得最佳的信号。这个较为麻烦的设备在20世纪20年代由热离子二极管所取代。20世纪50年代，高纯度的半导体材料出现。因为新出现的锗二极管价格便宜，晶体收音机重新开始被大规模使用。贝尔实验室还开发了锗二极管微波接收器。20世纪40年代中后期，美国电话电报公司在美国四处新建的微波塔上开始应用这种微波接收器，主要用于传输电话和网络电视信号。不过贝尔实验室并未研发出效果令人满意的热离子二极管微波接收器。
在最初被发明的那个年代，二极管通常被称作“整流器”。在1919年四极管被人发明后，威廉·亨利·埃克尔斯创造了术语Diode，是从希腊语词根（δί，di，“二”）和（ὁδός，ode，“路径”）两者结合而来的。
尽管二极管基本都有着“整流”作用，但是现在“整流器”一词通常在特定情况下才会被使用。如电源供应所需要的“半波整流”或“全波整流”设备；或者是阴极射线管所需的高压电续流二极管。

导线与跳线

常见的导线为“杜邦线”，方便在UNO板与面包板之间进行连接。杜邦线分为“公对公”、“公对母”和“母对母”三种类型。杜邦线的长度不固定，但一般仅用于板子与板子之间的连接。在进行连接时，需要尽量遵循“红线”接正极，“黑线”接负极，“橙、白线”接信号线的原则。

杜邦线

杜邦线的制作过程
在面包板内部进行连接的线称为“短跳线”，常用于短距离连接，更显整齐干净。
短线的颜色一般也会根据具体应用场景而区分，和使用杜邦线一样，连接正电源的一般为红线，连接地面（接地）一般为黑线，信号传输线常用橙色或白色。

面包板短跳线盒

面包板上的短跳线

参考资料：线缆允许通过的最大电流

根据初中所学到的物理知识，同种导体的截面越大，电阻越小。为了避免能量在导线上以热量的形式浪费，我们一般要尽量降低导线的电阻。然而，根据电流的大小不同，建议选用的导线直径也就不同。
在传输信号时，电流一般很小，所以导线的直径也可以小一些，采用最常用的普通杜邦线即可。但是在传输功率时，比如驱动电机转动时，必须根据应用场景的电流考虑导线的直径。

万用表

万用表（英语：multimeter），是一种多用途电子测量仪器，主要用于物理、电气、电子等测量领域，一般包含电流表（安培计）、电压表（伏特计）、电阻表（欧姆计）等功能，也称为万用计、多用计、多用电表、万用电表、万用表或三用电表。


通用技术教室常用的数字万用表
万用表有指针和数字两种。指针万用表，使用磁场偏转指针的表盘，此表头与经典的检流计相同；数字万用表的显示则采用液晶屏幕。

南京电表厂生产的指针万用表
指针万用表在新品与二手市场上均不难找到，在高考试卷上也经常出现。但因为调零和从仪表面板上准确的读数都容易产生偏差，与刻度难以细分的限制，在精确度与分辨率上都比不上数字电表。且数字电表电压档具有高输入阻抗，又可立即读出数字，指针电表除非直接指在有标示数值的大刻度上，否则须观察所指小刻度并计数与邻近大测度的关系，才能读出确实数值。但在某些情况下，如表头的反应速度、易于迅速得知概略数值、或对跳动数值的反应等方面，仍具某些优势，且内部电路简单，易于学习测量电路原理，因此，部分某些场合或情况仍有使用。此外，一些数字电表具有反应较数字变化快的条状显示，仿效指针的效果，以利迅速掌握数值的变化。

实例3.点亮LED

【实验说明】
不使用程序代码，直接点亮一个普通LED。
【材料准备】
4.5V-5V电源（学生电源、三节串联的干电池或已经通电的UNO板均可），470电阻一只，发光二极管一只，带鳄鱼夹的连接线3根。
【马上行动】
1. 根据电路图，连接电路

1. 观察LED的亮度，思考如何能使LED亮度更强。
2. 在面包板上尝试连接上图中的电路。