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1、第1章電學概論 1 1電的特性1 2電的單位1 3電能1 4電荷1 5電壓1 6電流1 7電功率 第1章電學概論 1 1 1認識 電 1 電是一種無形無色 無聲無味的能量2 電是自然界存在的現象 1 1 2物質 分子與原子1 物質 凡具有質量 佔有空間的物體2 分子 物質以物理方法加以細分 仍能保持該物質基本特性的最小微粒 3 原子 分子以化學方法加以分解 使其失去原有特性的最小微粒 例如 水分子是由兩個氫原子和一個氧原子所組成 如圖1 1所示 1 2 認識 電 圖1 1分子與原子的關係 1 1 2物質 分子與原子 1 3 物質 分子與原子 表1 1各主層的最大電子數目 1 1 3原子的構造1
2、 帶電性 中子不帶電 質子帶正電 電子帶負電 2 電子軌道分布 1 依能量不同由內到外分別以K L M N O P Q為主層名稱 2 各主層最大電子數以2 n2為限 n表示第幾層 如表1 1所示 1 4 原子的構造 圖1 2銅原子的電子分布情形 1 1 3原子的構造 3 以銅原子為例 銅的原子序為29 表示銅原子有29個質子 29個電子 電子的分布情形依序為 K 2 L 8 M 18 N 1 如圖1 2所示 a 氫原子 註 氫的原子序為1 氫是唯一沒有中子的原子 b 銅原子 註 原子序 電子數 質子數 1 5 原子的構造 1 1 3原子的構造3 帶電量 質量 1 如表1 2所示 質子和電子的帶
3、電量大小相等 正負相反 表1 2中子 質子 電子的帶電量及質量 註 從本表得知 1e 電子 1 602 10 19庫侖反知 1庫侖 6 25 1018個電子 2 整個原子的淨電量為零 亦即原子本身不帶電 電中性 3 質子的質量為電子質量的1836倍 1 6 原子的構造 1 1 4各種電子與電子流1 各電子名稱 1 束縛電子 受力而固定運行在軌道上的電子 2 價電子 原子最外層軌道上的電子 3 自由電子 已經脫離軌道自由活動的電子2 電子流自由電子受到外加能量的作用 會從一個原子進入另一個原子 形成電子的流動稱之為電子流 1 7 各種電子與電子流 1 1 4各種電子與電子流3 游離 1 游離的定
4、義 原子受到外加能量的作用 將使原子中的電子產生游離 ionization 現象 2 正離子 游離造成該原子失去電子 稱該原子為正離子 3 負離子 游離造成該原子獲得電子 稱該原子為負離子 圖1 3離子的形成 a 正常時 不帶電 b 失去電子 形成正離子 c 獲得電子 形成負離子 1 8 各種電子與電子流 1 1 5導體 絕緣體 半導體1 導體 1 價電子少於4個 容易受外力變成自由電子 形成電子流 2 例如 金屬 銀 銅 鋁 石墨 酸鹼鹽溶液等 2 絕緣體 1 價電子多於4個 不易受外力變成自由電子 無法導電 2 例如 空氣 雲母 塑膠 玻璃 石英等 3 半導體 1 價電子等於4個 其導電性
5、介於導體與絕緣體之間 2 將該物質摻入適當雜質 可以具有單向導電的特性 3 用於IC晶片 例如 矽 Si 鍺 Ge 等 1 9 導體 絕緣體 半導體 1 2 1基本單位 導出單位1 基本單位 物理量中對長度 質量及時間的單位 如表1 3所示 2 導出單位 以基本單位計算衍生出來的單位 例如面積 密度 等 3 單位系統 以MKS制為 國際單位系統 SystemofInternationalUnit 簡稱SI制 表1 3基本量的單位系統 1 10 基本單位 導出單位 1 2 2電學常用單位 表1 4SI制的電學常用單位 1 11 電學常用單位 1 2 3乘冪表示法 表1 5單位字首及其乘冪對照表
6、1 12 乘冪表示法 1 2 3乘冪表示法 1 4 7百萬歐姆 2 12微法拉 3 5毫亨利 4 3仟瓦特 1 13 乘冪表示法 1 2 3乘冪表示法 4 7 106 4 7M 12 10 6F 12 F 5 10 3H 5mH 3 103W 3kW 1 4 7百萬歐姆 2 12微法拉 3 5毫亨利 4 3仟瓦特 1 14 乘冪表示法 1 能量與功 1 能量 energy 是物質做功的能力 2 能量和功的符號都是W 其單位也都是焦耳 Joule J 2 能量守恆 不變 定理 宇宙間的能量不會無中生有 也不會平白消失 只會做形式上的轉換 而且其總和不變 3 能量轉換的相關設備 表1 6各種能量轉
7、換的設備元件 1 15 電能 若某一原子內電子游離後 帶有6個電子 3個質子 則該原子帶有多少電量 1 16 電能 若某一原子內電子游離後 帶有6個電子 3個質子 則該原子帶有多少電量 一個電子的帶電量 1 602 10 19庫侖一個質子的帶電量 1 602 10 19庫侖 6 3 1 602 10 19 4 806 10 19庫侖 1 17 電能 有一電荷載有5 1019個電子 則該電荷帶有多少庫侖的電量 有一電荷帶有1020個電子 試求該電荷的帶電量為多少庫侖 1 18 電能 有一電荷載有5 1019個電子 則該電荷帶有多少庫侖的電量 有一電荷帶有1020個電子 試求該電荷的帶電量為多少庫
8、侖 1 19 電能 有一電荷載有5 1019個電子 則該電荷帶有多少庫侖的電量 有一電荷帶有1020個電子 試求該電荷的帶電量為多少庫侖 1 20 電能 1 4 1基本電荷基本電荷 每一電子或質子是帶電物體的最小單位 稱之為基本電荷 電量 帶電物體內所含電荷的數量稱為電量 以Q表示 單位為庫侖 C 1個基本電荷 電子 的帶電量 1 6 10 19庫侖1庫侖 6 25 1018個基本電荷 電子 的帶電量 1 21 基本電荷 1 4 2靜電荷1 靜電荷 電荷在物體內並不會移動 無法形成電子流者2 將玻璃棒與絲綢兩種物體相互摩擦後 造成玻璃棒帶正電 絲綢帶負電 將塑膠棒與毛皮相互摩擦 毛皮帶正電 塑
9、膠棒帶負電 3 靜電荷具有下列特性 1 同性電荷互相排斥 異性電荷互相吸引 如圖1 5所示 a 同性相斥 b 異性相吸圖1 5同性相斥 異性相吸 1 22 靜電荷 1 4 2靜電荷 a 感應前 b 感應後圖1 6靜電感應作用 1 23 靜電荷 1 5 1電壓的定義 圖1 7水位與電位 1 電壓 voltage 把電荷從一端壓到另一端 要使導體內的電荷開始流動形成電流 在導體兩端供給的驅動能量 2 如圖1 7電池提供電能驅使電荷移動 使燈絲作功發光 3 電壓 電位 電位差 電動勢 端電壓及電壓降等的單位都是伏特 volt V a 水位 b 電位 1 24 電壓的定義 1 5 2電位與電位差 1
10、電位的定義 1 A點電位 VA 單位電荷 Q 在該點所具有的電位能 WA 公式 2 A點電位 VA 將單位電荷從無窮遠 處移動至該點所做的功 公式 1 2 1 1 VA 伏特 VA V 即VA 伏特 V 1 25 電位與電位差 2 電位差的定義 1 將單位正電荷由一點移到另一點所需的功 即為兩點間的電位差 2 將電荷Q從B點移至A點 其位能由WB變為WA 則兩點的電位差VAB為 1 3 VAB VA VB 伏特 V 3 將電荷從A點移至B點 則其電位差表示為VBA VBA VB VA 故 VAB VBA 1 5 2電位與電位差 1 26 電位與電位差 以圖1 8進一步說明如下 圖 a VAB
11、0時 表示A點電位高於B點電位 電流由A點流向B點 圖 b VAB 0時 表示A點電位低於B點電位 電流由B點流向A點 a VAB 0 b VAB 0 圖1 8電位高低及電流的流向 1 5 2電位與電位差 1 27 電位與電位差 將3庫侖之電荷由B點移至A點 需作功18焦耳 則A B兩點間之電位差為幾伏特 將2 10 6庫侖的電荷通過一元件作功20焦耳 則元件兩端的電位差為多少 1 28 有關電位差定義的計算 將3庫侖之電荷由B點移至A點 需作功18焦耳 則A B兩點間之電位差為幾伏特 將2 10 6庫侖的電荷通過一元件作功20焦耳 則元件兩端的電位差為多少 1 29 有關電位差定義的計算 將
12、3庫侖之電荷由B點移至A點 需作功18焦耳 則A B兩點間之電位差為幾伏特 將2 10 6庫侖的電荷通過一元件作功20焦耳 則元件兩端的電位差為多少 1 30 有關電位差定義的計算 如下圖所示 試求 1 VA 2 VB 3 VC 4 VD 5 VAC 6 VAD分別為多少 例1 5圖 1 1 31 電位差的計算 如下圖所示 試求 1 VA 2 VB 3 VC 4 VD 5 VAC 6 VAD分別為多少 例1 5圖 1 1 VA VAB 9V 2 VB 0V 3 VC VCB 6V 4 VD VDB VDC VCB 3 6 9V 5 VAC VA VC 9 6 3V 6 VAD VA VD 9
13、9 0V 1 32 電位差的計算 例1 5圖 2 如下圖所示 試求 1 VX 2 VY 3 VXY 4 VYX分別為多少 1 33 電位差的計算 例1 5圖 2 如下圖所示 試求 1 VX 2 VY 3 VXY 4 VYX分別為多少 1 VX 7V 2 VY 10V 3 VXY VX VY 7 10 3V 4 VYX VXY 3V 1 34 電位差的計算 1 5 3電動勢 電壓降與端電壓 1 電動勢 electomotiveforce emf或E 電池或發電機所提供的電壓稱為電動勢 電動勢對電荷提供能量 驅使電荷產生移動形成電流 完成做功程序 2 電壓降 voltagedrop Vr 當電荷通
14、過電路元件時會做功 使電荷所帶電能減少 元件兩端產生電位差 這個電位差就是電壓降 3 端電壓 terminalvoltage Vt 外部電路元件 負載 兩端點間的電位差稱為端電壓 如圖1 9 以公式表示 即 圖1 9電動勢 電壓降與端電壓之關係 1 35 電動勢 電壓降與端電壓 如圖1 9所示 開關S打開時 VBC 12伏特 開關S閉合時 VBC 10 8伏特 則電動勢 端電壓與電壓降分別為多少 本例中VAC稱為 其值為V VAB稱為 其值為V VBC稱為 其值為V 註 S閉合時 1 36 電動勢 電壓降與端電壓綜合運算 如圖1 9所示 開關S打開時 VBC 12伏特 開關S閉合時 VBC 1
15、0 8伏特 則電動勢 端電壓與電壓降分別為多少 1 開關S打開時 沒有電荷流通 此時端電壓等於電動勢 故電動勢等於12伏特 2 開關S閉合時 有電荷流通 VBC即為外部電路元件的端電壓 故端電壓為10 8伏特 3 電壓降為兩者之差 12 10 8 1 2伏特 本例中VAC稱為電動勢 其值為12V VAB稱為電壓降 其值為1 2V VBC稱為端電壓 其值為10 8V 註 S閉合時 1 37 電動勢 電壓降與端電壓綜合運算 1 6 1電流的大小 1 電荷在導體中的連續移動就稱為電流2 電流的大小 設t秒內有Q庫侖的電量流過導體的某一截面 則其平均電流為 3 假設t秒鐘內有N個電子流過導體截面 1個
16、電子 1e 1 6 10 19庫侖 則 1 38 電流的大小 假設在5分鐘內有3000庫侖的電荷從導體的一端進入 同時有3000庫侖的電荷從另一端移出 則流經該導體的平均電流為多少 有一導線 每秒流過6 25 1019個電子 其電流為多少安培 1 39 電流算式練習 一 假設在5分鐘內有3000庫侖的電荷從導體的一端進入 同時有3000庫侖的電荷從另一端移出 則流經該導體的平均電流為多少 有一導線 每秒流過6 25 1019個電子 其電流為多少安培 I 10 安培 1 40 電流算式練習 一 假設在5分鐘內有3000庫侖的電荷從導體的一端進入 同時有3000庫侖的電荷從另一端移出 則流經該導體的平均電流為多少 有一導線 每秒流過6 25 1019個電子 其電流為多少安培 I 10 安培 1 41 電流算式練習 一 有2安培電流流過導體 則在5秒時通過的電量及電子分別為多少 有一導體 兩秒鐘內有6 25 1019個電子流過其截面 求其流過的電量及電流分別為多少 1 42 電流算式練習 二 有2安培電流流過導體 則在5秒時通過的電量及電子分別為多少 有一導體 兩秒鐘內有6 25 1019個
