系統：材料、來源與特性
歡迎閱讀系統：材料、來源與特性溫習筆記！在 Pearson Edexcel GCSE (9-1) 設計與科技科中，「系統」主要探討電子和可程式化系統——它們如何感應用戶與環境、作出判斷，並產生聲音、光線或動作等實用輸出。剛開始接觸電子學時覺得技術名詞太多？不用擔心！我們會一步一步為你拆解每個元件、其物理特性以及運作原理。
備註：關於標準供應規格（stock forms）、公差（tolerances）以及詳細電路計算，將於其他章節深入探討；本章重點集中在辨識各項元件、理解其運作特性，並探討它們的來源與環境影響。
---1. 基本架構：輸入、處理、輸出
所有電子系統都遵循一個核心的三階段模型：輸入（Input）\(\rightarrow\) 處理（Process）\(\rightarrow\) 輸出（Output）。
這就好像人類的反射動作一樣：
• 輸入（感應）： 你的眼睛看見一顆球正朝你飛過來。
• 處理（決策）： 你的大腦決定舉起雙手接住球。
• 輸出（動作）： 手臂肌肉帶動雙手移動到適當位置。
在電子系統中，我們就是利用各種實體元件來分別執行這三種功能。
---2. 輸入裝置：感應器與開關
感應器負責偵測外在環境的物理變化，並將其轉換成電訊號（例如電壓或電流的變化）。開關則讓使用者或機械結構能夠手動接通或斷開電路。
A. 感應器
• 光敏電阻（LDR）： 一種電阻值會隨環境光線強度而改變的感應器。在黑暗環境下，LDR 具有極高電阻；隨著光照強度增加，其電阻值便會下降。LDR 常用於自動夜燈和街燈控制系統。
• 熱敏電阻（Thermistor）： 對溫度敏感的感應器。在常見的負溫度係數（NTC）熱敏電阻中，溫度愈高，電阻值便愈低。常見應用包括數碼溫度計、汽車引擎冷卻系統和中央暖氣溫控器。
• 濕度感應器（Moisture Sensor）： 由放置在物料（如泥土）中的導電探針組成。當環境濕潤時，水份會在探針之間導電，令電阻降低；當物料乾燥時，電阻便會上升。這種元件廣泛應用於自動澆水系統。
B. 開關
• 常開按鈕開關（PTM Switch）： 一種瞬動型開關，只有在被按下時才會接通電路；手一放開，電路便會立即斷開。例子：門鈴按鈕。
• 翹板開關（Rocker Switch）： 一種自鎖型開關，可以在「開」與「關」兩個固定位置之間來回切換，並一直保持該狀態，直至再次被按動。例子：座枱風扇的主電源開關。
• 微動開關（Micro Switch）： 一種極為靈敏的開關，只需極小的物理外力即可觸發。通常配有槓桿傳動臂或滾輪。例子：用作偵測微波爐門或打印機檢修面板是否完全合上。
• 磁簧開關（Reed Switch）： 密封在玻璃管內的開關，內含兩片具磁性的金屬簧片。當外在磁鐵靠近時，磁場會將接點吸合，使電路接通。例子：門窗防盜警報器（安裝在活動窗框上的磁鐵會觸發裝在窗框邊緣的開關）。
輸入裝置重點回顧： 感應器（LDR、熱敏電阻、濕度感應器）能自動對光、熱、濕度等物理變量作出反應；開關（翹板開關、PTM、微動開關、磁簧開關）則透過人手觸摸、機械碰撞或磁場來接通或斷開電路。
---3. 控制與處理裝置
處理裝置負責接收來自輸入端的訊號，對訊號進行調整或進行邏輯判斷，然後再向輸出端發出相應的訊號。
A. 被動控制元件
• 固定電阻（Fixed Resistors）： 用於阻礙並限制電路中電流流動的元件。它們能保護脆弱的部件（例如 LED），避免因電流過大而燒毀。
• 可變電阻（Variable Resistors）： 可以手動調節電阻值的元件（例如旋鈕或推桿形式）。常用於電路微調，例如調節音響音量或校準感應器的靈敏度閥值。
B. 主動開關與放大元件
• 雙極性電晶體（Bipolar Transistor）： 一種半導體元件，可充當電子開關或訊號放大器。只要在基極（base）輸入極微弱的電流，就能控制集極（collector）與射極（emitter）之間流過大得多的電流，讓微弱的感應器訊號得以驅動較大的元件。
• 繼電器（Relay）： 一種機電開關，利用電磁鐵產生的吸力來物理閉合接點。繼電器能讓低電壓、低功率的電子電路（如 5V 微控制器），安全地控制高電壓、高電流的電路（如 230V 市電電暖器），同時保持兩者完全電氣隔離。
C. 可程式化處理單元
• 微處理器（Microprocessor）： 僅包含中央處理單元（CPU）的集成電路。必須外接記憶體晶片（RAM/ROM）及輸入／輸出控制介面才能運作，主要用於處理複雜龐大的運算工作。
• 微控制器／PIC（周邊介面控制器）： 整合在單一晶片上的「微型電腦」。它將處理器核心、記憶體以及可程式化的輸入／輸出引腳全部整合於一體。微控制器可以透過流程圖或編程代碼來讀取輸入、執行延遲、循環與條件判斷，並直接控制輸出端。廣泛應用於洗衣機、汽車電子控制單元和微波爐中。
處理裝置重點回顧： 電阻負責調控電流；電晶體可放大或切換微弱電流；繼電器利用磁性安全開關大功率電路；而微控制器／PIC 則在單一晶片上提供靈活的可程式化智能決策。
---4. 輸出裝置
輸出裝置負責將電能轉換回我們在現實世界中看得到、聽得到或感受得到的物理現象：光、聲音或物理動作。
• 蜂鳴器（Buzzer）： 一種音訊發聲裝置，發出單一固定頻率的嗡嗡聲或嗶嗶聲。非常適合用於警報器、計時器及無須高保真音質的警告提示。
• 發光二極管（LED）： 當電流以順向流過時會發光的半導體光源。與傳統鎢絲燈泡相比，LED 能源效益極高、發熱量極少、能瞬間啟動，而且壽命極長。廣泛應用於指示燈、顯示屏及家居照明。
• 揚聲器（Loudspeaker）： 一種電聲轉換器，利用內部的音圈與永久磁鐵帶動彈性振膜振動，將變化的音訊電訊號轉換成涵蓋寬廣音頻範圍的聲波（如人聲、音樂、多音階警報）。
• 電動機／馬達（DC Electric Motor）： 一種將電能轉換為連續旋轉動能的執行器（actuator）。馬達為車輪、散熱風扇、電鑽及輸送帶提供動力。
輸出裝置重點回顧： 蜂鳴器提供固定的警示提示音；揚聲器能還原多樣化的聲音；LED 提供高效且具方向性的光源；馬達則產生持續的旋轉動作。
---5. 系統材料的工作特性
電子系統所使用的元件，極大程度上取決於以下幾項獨特的物理與電氣特性：
• 導電性（Electrical Conductivity）： 物料讓電荷自由流過的能力。由於銅具備極高導電率且電阻極低，它是製作元件引腳、電線及印刷電路板（PCB）導電銅箔線路的首選材料。
• 絕緣性（Electrical Insulation）： 阻止電流通過的材料特性。聚合物（例如電線外皮的 PVC 塑料和 FR4 環氧玻璃纖維板）能將各個導體隔開，防止短路並保護使用者免受觸電危險。
• 半導體特性（Semiconductor Properties）： 導電能力介乎導體與絕緣體之間的材料（主要是矽）。工程師透過化學摻雜處理矽，製造出二極管、電晶體、LED 及集成電路（微控制器），精準控制、導向或放大電流。
• 磁性（Magnetic Properties）： 廣泛應用於繼電器、揚聲器和馬達中，利用電磁場與永久磁鐵或鐵磁銜鐵之間的相互作用來產生機械運動。
6. 原材料來源、產地與環境足跡
製造電子系統所需的材料對生態和社會帶來重大影響，這是每位設計師都必須慎重評估的課題：
A. 原材料開採與加工
• 半導體與金屬： 矽是由石英砂經高溫、高耗能的電弧爐提煉而成。貴金屬與賤金屬——包括銅（用於導線和 PCB 線路）、金（用於防腐蝕的微晶片鍵合線）以及稀土元素（如用於揚聲器及馬達磁鐵的釹）——都需要經過露天開採和繁複的化學提純工序。
• 聚合物： 用於元件封裝、開關外殼及電線絕緣層的樹脂和塑料，主要提煉自原油精煉過程。
B. 生態與社會足跡
• 生境破壞與污染： 金屬採礦消耗大量能源與水資源，若管理不善，更會產生有毒尾礦及化學污染物。
• 電子廢物（E-Waste）： 廢棄的電子產品帶來嚴峻的處置難題。大量電子元件被永久焊接在電路板上，使分類和拆解回收變得非常困難且耗費大量人力。
• 堆填區毒素滲漏： 含有重金屬或阻燃塑料的廢棄電子系統若被直接送往堆填區，而非專業的電子廢物回收設施，有害物質可能會隨雨水滲入地下水層。
• 資源枯竭： 微晶片和馬達中使用的多種特種金屬在全球的儲量非常有限，這促使設計師必須採用模組化設計，以便日後進行維修、重用和回收。
7. 快速複習：核心元件配對小結
利用以下的核心系統元件總結，測試一下自己的理解程度吧：
• 光敏電阻（LDR）： 光照愈強，電阻愈低（輸入裝置）。
• 熱敏電阻（Thermistor）： 溫度愈高，電阻愈低（輸入裝置）。
• 濕度感應器（Moisture Sensor）： 濕潤時探針之間導電（輸入裝置）。
• 磁簧開關（Reed Switch）： 靠近磁場時接點閉合接通（輸入裝置）。
• 微動開關（Micro Switch）： 受到微小外力觸碰即可機械式觸發（輸入裝置）。
• 固定／可變電阻： 限制或調節電路中的電流（控制／處理裝置）。
• 雙極性電晶體： 電子開關或微弱訊號放大器（控制／處理裝置）。
• 繼電器： 隔離低功率控制端與高功率負載端的機電開關（控制／處理裝置）。
• 微控制器／PIC： 執行邏輯程式的單晶片微型電腦（控制／處理裝置）。
• 蜂鳴器／揚聲器： 將電訊號轉換為聲音（輸出裝置）。
• 發光二極管（LED）： 高效將電能直接轉換為光能（輸出裝置）。
• 電動機／馬達： 將電能轉換為連續旋轉的機械動能（輸出裝置）。