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6-1電的認識 原子結構 波耳原子模型 e 電子：－1.6×10-19 C 原子核 p 質子：＋1.6×10-19 C n 中子：不帶電 導體與絕緣體 導體（conductor）：含自由電子，但並 非所有電子都是自由電子，例如所有金 屬、石墨。 絕緣體（insulator）：不含自由電子， 例如大部分非金屬 導體和絕緣體沒有絕對界限，在某些條 件下絕緣體可轉變成導體，例如將玻璃 加熱至熾熱狀態可以導電。 半導體 庫侖定律 1785年，法國人庫侖（Coulomb）提出庫侖靜電力 定律，是電學研究的第一個定量分析 由實驗得：真空中兩靜止點電荷存在 相互作用力，其量值與兩電量乘積成 正比、距離平方成反比，其方向則在 兩者連線上。 異性電 同性電 q Q r q Q r Fe kQq r 2 靜電力與萬有引力比較 氫原子中質子與電子相距0.53埃 萬有引力 靜電力 Fg Fe Fe Fg Gm p m e r 2 kq p q e r 2 3 . 6 10 8 . 2 10 2 10 39 8 47 N N 摩擦起電 兩不同物體束縛電子能力不同，互相摩擦後， 一物體上的電子會轉移至另一物體，使得兩 物體帶等量、異性電（電荷守恆）。 絕緣體、導體均可經由摩擦起電。 絕緣體經摩擦後所帶電荷不能在內部自由移動。 丙 塑 烯 毛 玻 絲 金 硫 膠 樹 皮 璃 紙 絹 人 屬 磺 棒 脂 棒 易失去電子 靜電感應 法拉第:帶電體靠近電中性物體時，使得該 物體內正負電荷分離現象 導體 帶正電 絕緣體 帶負電 極化 靜電感應 物體被感應後，物體受帶電體的吸引力將大 於排斥力。 感應起電 利用靜電感應使導體帶電的方法，稱為感應 起電。 1.帶電體靠近 導體 2.導體接地 3.移去接地 4.移去帶電體 接 地 帶負電（異性電） 金箔驗電器 功用 金箔張角變大 檢驗物體是否帶電？ 帶電 檢驗物體所帶電性？ 同性電 金箔張角變大 驗電器需帶電 異性電 金箔張角先小後大 檢驗物體為導體或絕緣體？ 導體 金箔張角變小 金屬球 金屬桿 絕緣塞 金箔張角變大 導體 金箔張角變大 金箔張角變小 影印機 1.紙上沒有文字白色部 分將光反射，使得滾筒 上帶正電物質失去電性。 2.在滾筒上灑上帶負電 碳粉，帶正電部分會吸 引碳粉 。 3.讓帶有強力正電白紙 通過滾筒，使碳粉附著 在紙上，並加熱使碳粉 與紙緊密結合。 閃電 1.水滴與冰晶摩擦， 使雲層帶電，並使地 表感應出異性電。 2.電荷累積，使空氣 分子游離成正負離子， 而成為導體，雲層與 地表之間便會導電。 避（引）雷針 美國富蘭克林（Franklin）發明 原理：帶電導體曲率半 徑越小處（尖端），其 表面電荷密度越大，越 容易放電。 6-2 直流電與交流電 電流 可運動電荷 導體：自由電子 電解質：正、負離子 正電荷運動形成電流，其運動方向即為電流方向； 負電荷運動形成電子流，其運動反方向即為電流方 向。 電流大小：單位時間通過某ㄧ截面的淨電量 I=Q/t SI單位 A(=C/s) 直流與交流電 電源：提供電壓或電位差裝置，驅使電荷運 動。 直流電（DC）：電流方向固定不變，例如乾電池、 蓄電池等。 交流電（AC）：電流方向與大小作週期性變化，例 電 如插座等。流 時間（秒） 1/60 台灣交流電頻率為60Hz 電壓（電位差） 電壓 單位電量（1C）通過電源所獲得的電能即為電源兩 端電壓。 單位電量（1C）通過電器所失去的電能即為電器兩 端電壓。 V=Ue/Q SI單位 V(=J/C) 電位下降 1.獲得電能Ue＞0 2.失去電能Ue＜0 電位上升 電阻與歐姆定律 電阻成因 電子在導體內運動時，會和原子碰撞，失去部分電 能，即物質具有阻礙電荷運動的特性。 歐姆定律：歐姆由實驗發現，在一定溫度下， 某導體兩端電壓與流經電流成正比，將其比值 V 稱為「電阻」。 V/I=定值 =R SI單位 Ω (=V/A) 歐姆電阻：金屬 非歐姆電阻：電阻半導體、電晶體等 I 電阻定律 電阻定律：導體電阻值決定於下列二個因素 導體材料：電阻係數ρ成正比（與溫度有關） 金屬：電阻係數隨溫度增加而增大 半導體：電阻係數隨溫度增加而減小 導體形狀：與長度L成正比、與截面積A成反比 R=ρL/A 常見電阻器 圖6-22 色碼電阻器 圖6-23 可變電阻器 電功率與焦耳定律 電功率：單位時間電源所提供或電器所消耗 的電能 P=Ue/t=QV/t=IV 焦耳定律 I=V/R P=IV =V2/R =I2R V=IR 1.並聯各電阻，其電功率 與電阻值成反比。 2.串聯各電阻，其電功率 與電阻值成正比。 電費 電費計算單位 瓦 時 計 1度電＝1千瓦．小時（kWh） （ 電 ＝3.6×106焦耳 錶 ） 電費＝使用度數×每度電費 電能＝電功率×時間 6-3 磁鐵與地磁 磁鐵 磁鐵：具有磁性，能吸引鐵、鈷、鎳及其合 金的物質。 磁極：磁鐵磁性最強的部分（N、S兩極）。 1.磁單極不存在 2.同名極相斥，異名極相吸 磁性 磁本質 安培提出「分子電流假設」，物質內部存在環繞 分子的圓電流，每個分子相當於一個小磁棒。 磁化：使物質具有磁性的過程 S N N S S N N S S S N S N N N N S S N 對磁鐵外部磁性抵消 軟磁材料：可被暫時磁化 磁性材料 硬磁材料：可被永久磁化 S 磁場與磁力線 磁場：磁鐵周圍，磁力所能作用的空間。 磁場沒有界限，但有強弱之分。 磁針N極所指方向，即為磁場方向。 磁力線（magnetic line of force）：表示磁 場分布情況的虛擬曲線。 磁力線與磁場關係 磁力線性質 磁力線必是封閉曲線；磁 鐵外部N至S極，內部S至N 極。 磁力線密度越高處，其磁 場越強。 磁力線某點切線方向為該 點磁場方向，故磁力線不 相交。 地磁 1.磁偏角：在地 表上，磁針N極所 指示北方與地理 北方夾角。 地磁S極 2.磁傾角：磁針與 水平地面夾角。 地磁N極 6-4 電流磁效應 電流磁效應 19世紀前，電與磁被認為是 相互獨立的。 1820年4月，丹麥物理學家 厄斯特（Oersted）發現通 有電流導線可使附近磁針偏 轉。 1820年7月21日，發表 關於磁針與電流碰撞的實驗 論文，揭示電與磁之間的聯 繫關係。 長直導線電流磁效應 長直載流導線所生磁場 1.磁力線:同一平面上以導 線為中心軸的同心圓，其 方向以安培右手定則判斷。 2.磁場大小：電流大小成 正比、離導線距離成反比。 3.磁場方向:磁力線任一點 切線方向。 圓線圈電流磁效應 圓形載流導線所生磁場 圓心處磁場 1.磁場大小：電流 大小成正比、線圈 半徑成反比。 2.磁場方向:安培右 手定則（四指電流、 拇指磁場）。 螺線管電流磁效應 載流螺線管所生磁場 外部：很小 內部任一點 1.磁場大小：電流大小成 正比、單位長度匝數成正 比。 2.磁場方向：安培右手定 則（四指電流、拇指磁 場）。 電磁鐵 電磁鐵：在螺線管內插入軟鐵芯（與螺線管 絕緣），當線圈接通電流時，軟鐵被磁化成 為磁鐵，產生強磁場；但當電流消失，軟鐵 磁性亦消失。 電磁鐵應用 起重機 電鈴 電話 載流導線與磁場交互作用 載流直導線置於外加磁場 1.電流與外加磁場互相平行，導線所受磁力為零。 2.電流與外加磁場不平行，導線所受磁力不為零。當 導線電流與外加磁場互相垂直，導線所受磁力最大。 S N 右手開掌定則 S N 電動機 直流電動機：將電能轉換成動能裝置 主要構造 場磁鐵 電刷 1.場磁鐵：永久磁鐵 2.電樞：可轉動之線圈 3.集電環： 半圓形金屬 環，隨電樞轉動 4.電刷： 碳刷 N N S S 旋轉20° N 旋轉160° N S 旋轉180° S 6-5 變壓器與電力輸送 電磁感應 英國人法拉第（Faraday）於1831 年由實驗發現磁生電現象，稱為 「電磁感應（electromagnetic induction ）」。 電磁感應 當通過封閉線圈的磁力線數目（磁通 量）發生變化時，線圈中會產生感應 電流。 磁力線隨時間變化速率越快，感應電 流越大。 19世紀電磁學 領域最偉大的 實驗物理學家 法拉第實驗 通過線圈磁場發生改變 線圈面在磁 場中轉動 磁鐵與線圈發生 相對運動 冷次定律 德國人冷次（Lentz） 1833年他總結了自己的實驗結果，年底 寫出論文《論動電感應引起的電流的方 向》，提出冷次定律。 冷次定律 磁力線數變化 產生感應電動 勢或感應電流 產生感應磁場 抵抗原磁力線變化 冷次定律是能量守恆定律的描述!! 發電機 交流發電機：動能轉換成電能 電 流 時間 變壓器 原理：利用電磁感應，使交流電壓改變 輸入電壓 輸出電壓 主線圈匝數 副線圈匝數 輸出電流 輸入電流 理想變壓器： 輸入電功率＝輸出電功率 電力（能）輸送 電力輸送適當條件：高電壓、低電流 1.發電場所產生電能，需藉由電線輸送，若輸送電 流越小，電能被電線所消耗的電能越少。 2.發電廠輸出功率固定，想要輸出低電流，則需要 提高輸出電壓。 低電流 輸入11000或 22000伏特 輸出345000、 變電所降壓 161000及69000 伏特 6-6 家庭用電與安全 家庭用電系統 接地線：連接 於電器外殼， 當電器不小心 漏電，可將電 引入地面，避 免觸電。 短路、超載 短路：在電路迴路中，若沒有高電阻負載， 則流經電路的電流很大，使電路產生高熱， 甚至引發電線走火。 超載：電器需並聯使用，但並聯電器越多， 電路總電流越大，可能會超過電線安全負載 電流。 保險絲、無熔絲開關（串聯於電路中）：當 電路中電流過大時，可使電路形成斷路。 人體觸電 觸電：電流通過人體而引起的病理和生理效 應，與電流大小、部位以及感電時間有關。 電流越大傷害越大，若人體潮濕，電阻降低，通 過電流會變大。 電流通過人體內部傷害比通過表面大 ，最危險的 路徑是胸部到左手。 觸電時間越久也越危險。