第 十四 章 電與生活 14－1 伏打電池 青蛙腿的啟示 義大利醫生賈法尼以銅製解剖刀解剖鐵盤內的青 蛙，青蛙發生抽搐 他認為青蛙組織產生了電流，金屬只是傳遞導體（ ） 伏打電池：第一個電池（Volta） 西元1800年銀與鋅圓板（夾含食鹽水濕抹布） 伏 打 賈 法 尼 14－1 伏打電池 伏打電池：第一個電池圖說 西元1800年銀與鋅圓板（間夾含食鹽水抹布） 水果電池：鋅、銅片.
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第 十四 章 電與生活 14－1 伏打電池 青蛙腿的啟示 義大利醫生賈法尼以銅製解剖刀解剖鐵盤內的青 蛙，青蛙發生抽搐 他認為青蛙組織產生了電流，金屬只是傳遞導體（ ） 伏打電池：第一個電池（Volta） 西元1800年銀與鋅圓板（夾含食鹽水濕抹布） 伏 打 賈 法 尼 14－1 伏打電池 伏打電池：第一個電池圖說 西元1800年銀與鋅圓板（間夾含食鹽水抹布） 水果電池：鋅、銅片 14－1 伏打電池 伏打電池原理：化學能轉變成電能 將兩種不同金屬以導線連接，中間隔有可導 電物質，就能產生電流 （二金屬及一電解質） 活性大的金屬當負極，放出電子 活性小的金屬當正極，得到電子 電池解析 1.外電路：自由電子流動 e （電子由 極流至極） （電流由 極流至極） 2.內電路：離子流動 正離子向正極 負離子向負極 I 14－1 伏打電池 電池反應 負極放電子；正極得電子 負極常溶解；正極常金屬析出 eg 鋅銅電池（Zn/Cu ） 1.負極半反應：放電子 Zn Zn2＋＋2e－ 2.正極半反應：得電子 Cu2＋＋2e－ Cu 2e－ 外電路 內電路 Zn2＋ Cu2＋ 3.電池全反應：二半反應之和（電子數應消去） Zn＋ Cu2＋ Zn2＋＋ Cu Q 小問題 1.默寫應記得的元素活性大小順序 ？ 2.寫出以下電池的電極反應（並判斷正負極）： Zn/Ag Zn/Cu Cu/Fe Cu/Ag ？ 14－1 伏打電池 鋅銅電池（Zn/Cu ）圖說一 甲杯 乙杯 ※ 鹽橋解析 1.為易解離鹽類電解質 2.二功能（無鹽橋無電流） 通路 電中性 3.甲杯因鋅離子的溶出， 使甲杯正電過多 鹽橋之NO3－移向甲 杯平衡之 4.乙杯因銅離子的析出， 使乙杯負電過多 （SO42－過多） 鹽橋之K＋移向乙杯 平衡之 14－1 伏打電池 鋅銅電池裝置（Zn/Cu ） 1.負極：鋅片（置於無色的ZnSO4水溶液） 2.正極：銅片（置於藍色的CuSO4水溶液） 3.鹽橋：鹽類（如：KNO3、KCl、NaNO3、NaCl） 鋅銅電池放電過程：電流產生後漸減…. 1.電極反應： Zn＋ Cu2＋ Zn2＋＋ Cu 負極 Zn Zn2＋＋2e－ 鋅片溶解，質量減輕 正極 Cu2＋＋2e－ Cu 紅銅析出，質量增加 2.甲杯：硫酸鋅水溶液顏色不變 乙杯：硫酸銅水溶液顏色變淡藍（濃度 ） 3.鹽橋二功能： 形成通路 維持電中性 鉀離子（K＋）向乙杯移動 硝酸根離子（NO3－）向甲杯移動 14－2 實用電池 實用電池分類 1.一次電池：不可充電 eg.乾電池、鹼性電池 2.二次電池：可充電，可重複使用（蓄電池） eg.鉛電池、鋰電池、鎳鎘電池、鎳氫電池 乾電池（種類很多，一般指碳鋅電池） 負極：鋅（外殼，凹面） Zn Zn2＋＋2e－ 正極：碳棒（凸面） 電解質：氯化銨（NH4Cl） （加入澱粉成糊狀，使不外滲） 電壓：1.5 V（放電後逐步降低） 不可充電 14－2 實用電池 鹼性電池（多指鹼錳電池） 電解質：氫氧化鉀 KOH（鹼性） 可產生較大電流，壽命長 價格比碳鋅電池貴 電壓：1.5 V，且電壓穩定但不可充電 鋰電池 電壓：3 V，且電壓穩定可充電 普遍使用於電腦、手機…中 鎳鎘電池 正極：鎳，負極：鎘（有毒） 電壓：1.2 V，電壓穩定可充電，壽命長 鎳氫電池：可充電 Q 小問題 1.簡述實用電池的應用及應注意事項 ？ 14－2 實用電池 鉛電池（鉛蓄電池 / 充電電池） 1.構造 正極：二氧化鉛（PbO2） 負極：鉛（Pb） 正負極板交互配置，負負相連，正正相連 極板中置有絕緣的隔離板 電解液：稀硫酸水溶液（密度1.24 g / cm3） 電壓：2 V，可充電 2.放電過程 正極PbO2、負極Pb均成白色硫酸鉛（PbSO4） 兩極板質量增加 硫酸水溶液濃度減少、密度也減少 因硫酸逐漸減少，水分逐漸增加 14－2 實用電池 鉛電池圖說（鉛蓄電池 / 充電電池） （a）三個槽的鉛電池 （b）其中一槽 14－2 實用電池 鉛電池（鉛蓄電池 / 充電電池） 3.充電過程 限用直流電（與放電相反） 正極PbSO4轉變成PbO2 二板質量減輕 負極PbSO4轉變成Pb 硫酸水溶液濃度增加、密度也增加 因硫酸逐漸增加，水分逐漸減少 ◎ 放電：自發反應（化學能轉換成電能） ◎ 充電：非自發（外加電能轉換成化學能） 4.特性 必須定期補充蒸餾水 有硫酸漏出、酸霧逸出困擾 Q 小問題 1.汽機車使用之鉛電池為12伏特是幾個槽 ？連接？ 2.鉛電池充電時，如何可判斷充電的程度？ 14－2 實用電池 鉛電池－放電與充電圖說一 1.放電時的電流方向？電子流的方向？ 2.充電時的電流方向？電子流的方向？ 3.充電時的正負極連接方法？ 14－2 實用電池 鉛電池－放電與充電圖說二 過程 放電 正極變化 PbO2 PbSO4 ；變重 負極變化 Pb PbSO4 ；變重 硫酸溶液 濃度變小，密度變小 能量轉換 充電接法 Q 小問題 化學能 電能 充電 PbSO4 PbO2；變輕 PbSO4 Pb；變輕 濃度變大，密度變大 電能 化學能 正極接正極，負極接負極 1.汽車電瓶沒電時，另一台汽車如何協助充電？ 2.電池內含哪些有毒金屬，隨意丟棄會污染環境？ 14－3 直流電與交流電 電源種類：以電流的流向是否固定區分 1.直流電 簡記DC 輸出電流的流向始終不變 eg.電池（標有出固定的正負極） 電流由電池正極流出，經導線回到電池負極 （電流 I 與電子流 e 方向相反） 比交流電早發明 電流 I 電子流 e 14－3 直流電與交流電 電源種類 2.交流電 簡記AC 輸出電流的流向週期性改變 發電廠是利用動力使發電機中的線圈轉動， 每轉180度電流方向就會變換一次 電流方向及電流大小都規律的改變 eg.家用電源（沒有正負極之分） 台灣使用之交流電是60 Hz（每秒轉60次） 電流方向每秒鐘改變60次（正負各60次） 使用交流電最大好處：能以簡單方式變壓 變壓＝升高或降低電壓 Q 小問題 交流電60Hz，表示發電機中線圈轉一圈需幾秒？ 14－3 直流電與交流電 交流電圖示：60 Hz 線圈轉一圈（360 度）之 I vs.t 關係圖 每轉一圈，正負各一次（每180度變換方向一次） 14－3 直流電與交流電 交流電與直流電的比較 項目 直流電 交流電 電流磁效應 1.直導線旁磁針偏轉 2.電磁鐵能吸引鐵迴紋針 1.直導線旁磁針不偏轉 2.電磁鐵能吸引鐵迴紋針 能 能 氧：氫＝1：2 氧：氫＝1：1 燈泡發亮 （熱效應） 電解水 （化學效應） （正極生氧，負極生氫） （二極生氫氧混合氣體） 電極 正負極固定 正負極不固定 電流方向 固定 週期性規律變化 原則 考慮的效應若與電流方向有關時，二者會有差異 考慮的效應若與電流方向無關時，二者並無區別 14－3 直流電與交流電 變壓器：改變電壓的裝置（升高或降低電壓） 1.構造：由鐵芯和繞在鐵芯上的兩組線圈組成 原線圈：輸入交流電的線圈（圈數 N1） 副線圈：輸出交流電的線圈（圈數 N2） 2.作用原理： 圈數 電壓 改變圈數比（＞1或＜1），調節輸出電壓 整流變壓器：兼具變壓及整流二種功能 將交流電變成直流電 改變電壓 14－3 直流電與交流電 變壓器作用原理：圈數 電壓 V1 N1 V1 N1 V2 N2 N2 V2 輸入電壓 原線圈圈數 輸出電壓 副線圈圈數 Q 小問題 1.家中電壓110V，變壓器中原線圈為220圈，副線 圈為18圈，當變壓器插入插座時，輸出電壓？ 2.變壓器可將交流電變壓，是否可將直流電變壓？ 14－3 直流電與交流電 變壓器作用原理圖說 N1=1 V1 N1 V2 N2 N2=1 N1=1 N2=2 輸入電壓 原線圈圈數 輸出電壓 副線圈圈數 14－4 電流的熱效應 電流的三大效應 1.磁效應（12-3）：安培計、電磁鐵… 2.化學效應（13-5）：電解、電鍍… 3.熱效應：電熱器、電爐… 電流的熱效應 電能轉換成熱能的現象 （電流通過電阻時，會產生光和熱的效應） eg.吹風機、電熨斗、燈泡、電爐、保利綸切割器…. 能量的轉換 1.不同形式的能量，可以互相轉換 2.能量單位 1 J = 0.24 cal 熱能 卡：cal 電能、力學能 焦耳：joule，簡記：J 14－4 電流的熱效應 電路的能量轉換模型 消耗電能 1.5V 1.5V 獲得電能 電流 I 1.電池內部，發生化學變化， 將化學能轉換為電能釋放 出來 2.電路為封閉迴路時，導線 中的電荷受到電池推動， 而沿著電路流動 3.電能在導線及燈泡裡轉換 成光和熱能 4.所消耗的電能由電池補充， 直到電池放電至無法使用， 而須更換電池 1. 每庫侖電量經過燈泡，會提供1.5焦耳電能給小燈泡 2.串聯電池愈多，燈泡獲得電能愈多，會愈亮（或過熱燒燬） 14－4 電流的熱效應 電路的電能 E 計算 在導線 ab 間，通過的電流 I 安培，耗時 t 秒，則 通過的電量：Q＝I ×t 若ab 間的電壓 V伏特，則電量 Q庫侖通過時， 釋出電能 ：E QV IV t Q It 基礎公式 V=IR Q=It E=QV E=Pt E IV t I IR t I2Rt V IR V V2 V E IV t Vt t I R R R E Pt 14－4 電流的熱效應 電功率P：單位時間內所釋放或消耗的電能 可知電能釋放或消耗的快慢 eg.燈泡很亮表示在短時間消耗很大的電能 1.公式 E QV ItV P IV Q It t t t P IV I IR I2R V IR V V2 P IV V R R V I R 2.單位：瓦特＝W （watt） E 焦耳 焦耳 P J 瓦特 W 秒 S t 秒 14－4 電流的熱效應 電功率意義： 電能釋放或消耗的快慢 eg. 60W燈泡 每秒放出60焦耳能量 100W燈泡 每秒放出100焦耳能量 較亮 ◎ 仟瓦（Kw）： 1 Kw ＝1000 W 電器標示的意義：『 V-P 型』 eg.標示有110V,1000W 的電鍋 最佳使用環境 使用110伏特電壓下，每秒產生熱能1000焦耳 （若接過高電壓，易燒毀；接過低電壓，久煮不熟） 電器的電阻值（為一定值） 電壓2 V2 電阻 R 功率 P 14－4 電流的熱效應 電器使用範例 eg1.標示有110V,1000W 的電鍋，回答以下問題： 於110V下使用2小時，消耗電能多少焦耳？ 於110V下使用，流經電鍋的電流為多少安培？ 此電鍋的電阻多少歐姆？ 若於220V下使用，電鍋之電功率？會如何？ 若於 55V下使用，電鍋之電功率？會如何？ eg2.在台灣家用電器的適用電壓有哪二種？ eg3.請說明保利綸切割器（或燈泡）的應用原理？ 公式 V=IR Q=It E=QV =Pt P=IV=I2R=V2/R 14－4 電流的熱效應 保利綸切割器的使用 當手按壓銅片時，切割線（鎳鉻絲）即能產生 高熱，可用以切割保利綸。但按壓銅片的手為 何不覺得熱呢？ 原理解析：銅與鎳鉻絲串聯於電路中，其流經 二電阻的電流相等，而鎳鉻絲電阻遠大於銅 P=I2R，在I 相同下 P R 電阻很大的鎳鉻絲，產生的熱能就很大 14－4 電流的熱效應 電路V、I、R、P、E的運算－單一電路 V P I E t R ※ 圈內關係 V＝IR E＝QV＝Pt P＝IV＝I2R＝V2/R ※ 圈間關係 電池總電壓＝電阻二端之電壓 V＝V1 電池總電流＝流經電阻之電流 I＝I1 電池總電阻＝線路上之電阻 V1 I1 R1 R＝R1 P1 E1 電池提供功率＝電阻消耗功率 t P＝P1 電池提供電能＝電阻消耗電能 E＝E1 14－4 電流的熱效應 電路V、I、R、P、E的運算－串聯電路 V P I R ※ 圈內關係 V＝IR E＝QV＝Pt P＝IV＝I2R＝V2/R ※ 圈間關係 電池總電壓＝二電阻端電壓和 E t V＝V1＋ V2 電池總電流＝流經各電阻電流 V２ V1 P1 I1 R1 I２ I＝I1＝I2 P２ 電池總電阻＝線路上二電阻和 R＝R1＋R2 電池提供功率＝電阻消耗功率和 E1 t R２ t E２ P＝P1＋P2 電池提供電能＝電阻消耗電能和 E＝E1＋E2 14－4 電流的熱效應 電路V、I、R、P、E的運算－並聯電路 I V ※ 圈內關係 V＝IR E＝QV＝Pt P＝IV＝I2R＝V2/R ※ 圈間關係 電池總電壓＝電阻二端之電壓 R t P E V＝V1＝ V2 V1 I1 電池總電流＝經二電阻電流和 R1 P1 E1 t I＝I1＋I2 電池總電阻＝如下計算 １/R＝1/R1＋1/R2 電池提供功率＝電阻消耗功率和 V２ P２ I２ E２ R２ t P＝P1＋P2 電池提供電能＝電阻消耗電能和 E＝E1＋E2 14－4 電流的熱效應 電路計算範例 eg1.如圖，電池電壓1.5V，連接2歐姆燈泡： 導線上電流？ 電池每秒提供電能？ 電池提供的功率？ 1分鐘內，燈泡消耗電能？ eg2.如圖，電池15V，串聯2、3歐姆燈泡， 求各對應的V、I、R、P之值？ V=15 I＝ ；I1＝ ； I 2＝ ；R＝ 。 V1＝ ；V2＝ 。 P＝ ；P1＝ ； P2＝ 。 R2＝3 串聯電路電阻 電功率。 R1＝2 14－4 電流的熱效應 電路計算範例 eg3.如圖，電池12V，並聯3、6歐姆燈泡， 求各對應的V、I、R、P之值？ I＝ ；I1＝ ； V=12 I 2＝ ；R＝ 。 V1＝ ；V2＝ 。 P＝ ；P1＝ ； P2＝ 。 並聯電路電阻 電功率。 R1＝3 Q 小問題 簡述串、並聯電路VIRPE關係？ R2＝6 14－4 電流的熱效應 電功率與電阻的聯結關係 1.串聯時，電功率與電阻成正比 各分電阻大者，產生的熱能較大 串聯時，流經各分電阻之電流相同 由 P=I2R PR 2.並聯時，電功率與電阻成反比 各分電阻大者，產生的熱能較小 並聯時，各分電阻二端之電壓相同 由 P=V2/R P 1/R R 1 R1 R2 R2 P1：P2＝R1：R2 P1：P2＝1/R1：1/R2 14－4 電流的熱效應 各國使用的電壓 地區 台灣 香港 中國大陸 日本 美國 加拿大 英國 澳洲 使用電壓 110V、220V 220V 220V 100V、200V 120V 120V 240V 240V 14－5 電力輸送與消耗 電力輸送：發電廠採高電壓輸送（七萬伏特以上） 以減少輸送過程中的電能損耗 ※ 輸送原理解析－採高壓電輸送的原因 發電廠的電功率固定時， P=IV，故電壓愈高， 輸送電流愈小。銅導線電阻很小，流經的電流也 小， E=I2Rt 就愈小， 能減少電能損耗 14－5 電力輸送與消耗 家庭用電系統：單相三線 二條火線A、B（活線）及一條中性線C AB二線對中性線的交流電壓110V，AB間電壓 為220V 110V C 220V 110V Q 小問題 1.若沒有地線（指中性線），使用110V電壓的電燈還能亮嗎 ？ 2.使用220V電壓的冷氣機還能正常運作嗎？ 14－5 電力輸送與消耗 家庭電源插座 1.家用電壓有110V、220V二種 2.使用110V的電器 將電器分別與中性線與其中一條活線連接 ※三孔插座：多加一孔是使電器接地，避免觸電 3.使用220V的電器 將電器分別與二條活線連接 ※三孔插座：多加一孔是連接家庭的地線 110V 110V 220V 14－5 電力輸送與消耗 電費的運算 1.儀器：瓦時計（電錶） 2.計量單位：度（是能量單位） 以用戶使用的電能 E為收費依據 電費＝使用度數 ×每度電費 14－5 電力輸送與消耗 度的定義 1 度＝1 仟瓦小時（kWh）＝3.6 ×106焦耳 相當於功率1 仟瓦（1000W）的電器使用1小 時所消耗的電能 化成小時 E 度 Kwh Kw hr 6 3.6 10 化成仟瓦 E是電能，單位：焦耳（J） Q 小問題 一度＝3.6×106焦耳，請列式推導出來？ 14－5 電力輸送與消耗 電費計算範例 eg1.800w的燈泡，使用30分鐘，耗電能？多少度？ eg2.500w的燈泡，每天使用2小時： 一個月耗電 度？電能消耗 焦耳？ eg3.一度的電能： 能供給100w燈，使用 小時。 能供給800w電鍋，使用 小時。 eg4.電鍋800w和電燈100w同時使用2小時： 共耗電 度，若電費每度5元， 電費 元。 eg5. 7200000焦耳= 度電 eg6.耗電大的家用電器有哪些？ 14－6 家庭用電安全 通路 電路的正常使用（形成封閉迴路） 斷路 電路中斷，燈不亮（不能形成封閉迴路） 短路 ：電流走捷徑（全走電阻很小的導線）現象 流經導線的電流會增大很多，產生的熱能會 使絕緣外皮熔化，發生火花，造成火災 形成通路 甲燈 乙燈 。 。 短路 甲燈 乙燈 丙燈 。 。 。 14－6 家庭用電安全 斷路與短路圖示 斷路 短路 安全負載電流：電線能承受的最大電流量 若超過負載，電線所生熱能使溫度急遽上升 而發生危險 Q 小問題 小明以延長線連接110V的插座，延長線的安全負載電流為 10安培，若欲將使用電壓110V、耗電功率為1200瓦特的電 熱器插於插座上，試問是否會超過延長線的負載電流？ 14－6 家庭用電安全 保險絲 1.避免電流過大，維護用電安全 2.電阻比銅大，熔點比銅低，串聯在電路中 3.材質：低熔點金屬合金線，當通過保險絲的電 流超過其限定值時，保險絲就會受熱熔斷，使 電路成斷路，以保護其他線路 檢查異常，換適宜保險絲（禁用金屬線替代） 4.規格：隨電線之安全負載電流而不同 5.選用：保險絲電流限定值＜電線安全負載電流 （小於且近於） 無熔絲開關：當電流大到某一限定值，會自動跳 開形成斷路，待電路異常原因排除後，再按下開 關，便可重新接成通路（比保險絲方便） 14－6 家庭用電安全 保險絲及無熔絲開關圖說 ◎保險絲電路符號： eg.110伏特的家電三種，分為880W的電鍋、330W 的電熨斗、660W的電爐，三者同時使用： 通過電鍋的電流＿＿＿＿安培。 有最大承受量為10、15、20、25、30安培的 五保險絲，經採用而不熔斷的有＿＿種。 使用1小時共耗電＿＿＿＿度。 14－6 家庭用電安全 家庭用電注意事項 (1)安裝正確數值的保險絲或無熔絲開關。不可以 其他金屬線代替保險絲。 (2)身體或站立處潮濕時，不可觸摸電器。 (3)不可在同一插座或延長線連接過多電器。 (4)不可用拉扯電線的方式拔出電器插頭。 (5)插座不可安裝在靠近水源或熱源處。 (6)電器長時間不使用時，需拔下插頭。 (7)無人時，電燈、冷氣機等均應關閉，以策安全 並節約能源