一、電路

一、定義

1.電器使用的是電能,而電能傳播方式需藉由導體傳遞,故必須以導體連接電源形成封閉的迴路。此種以導線、電源、電器和開關等聯結成迴路的裝置,就稱為電路

2.導線:通常以電阻較小的金屬銅為導線,與電器相較導線的電阻極小,故在整個電路中導線的電阻可被忽略不計。

3.電源:在電路中電源扮演供應電能的角色,提供電路高低電位差俗稱:電壓而使電流能夠流通的裝置。

4.開關:控制電路成為通路或斷路的裝置,可讓使用者方便切換。

5.電源又分為:直流電源交流電源兩種,一般家庭用的電源屬於交流電源,而化學電池則屬於直流電源。

6.為方便表達電路中的各種組成元件,常使用電路的符號繪製成電路圖形,電路符號亦成為世界公認的通用符號,(如表所示)。
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 二、電路的聯結方式

1.電路的聯結方式可分述「電器的聯結方式」與「電池的聯結方式」。

2.串聯方式聯結的電路,電流自電源出發至通過電路回到電源的整個過程都只有一個迴路,未出現分支電流的現象,串聯在一起的電器中任一者損壞時則整個電路即成斷路。(如圖一)

3.以並聯方式聯結的電路,有分支的電路裝置,於通電時並聯的電路所得的電壓是相同的,且當並聯的各電器之中,任意者損壞時並不會影響另一電器正常使用(如圖二)。

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三、開關與電路

1.開關旨在控制電路成通路亦或斷路,若開關切換成斷路時,則電路中只有電壓而無電流,此時所有的電器無法運作。(如圖三)

2.當開關切換成為通路時,電路中的電源因有電位差(電壓)而促使電流通過,而且電器也可以正常運作。(如圖四)

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3.保險絲:為確保電路的安全,保險絲因電流過大會發生電流的熱效應而熔斷,避免燒毀電器的斷電裝置,需與電器或與電源串聯使用。

4.傳統的保險絲為錫、鎘、鉛、鉍等金屬的合金,具有熔點較低而電阻較導線稍大的特性。

二、電  壓:

一、電流的驅動力

(一)電壓的定義:

1.電壓又稱【電位差】,是驅使電流在導線中流動的原動力,而電路中提供電壓者是【電源】。

2.電壓的定義:使每一單位的電量所具有的電能稱為電壓,其關係式為:

公式:

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1)上式符號:U代表電位能,Q:代表電量。

2)伏特的定義:每一庫侖的電量所具有的電位能。

電壓的單位:1伏特=1 焦耳/庫侖

3伏特簡記為:(V)、毫伏特簡記為:(mV)、微伏特簡記為:(μV)。

1伏特=1仟毫伏特=106微伏特。

(二)電壓與電流:

1.電流是代表正電荷的流動,而促使電流在電路中流動的動力則來自電源提供的電位差(或稱電壓)

2.電壓是電流的成因,造成電流在電路中由高電位流向低電位,形成一個循環的通路。

3.吾人可以將電流比喻成水流,電流在電路中受到電壓而由高電位流向低電位流動,正如水受到水壓而由高處向低處流動(如圖一所示)。
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(三)導體與絶緣體:

1.導體】:

1)石墨與金屬:電子可在原子間自由運動的物質,例如金屬,而此種可以在導體中自由運動的電子稱為『自由電子』。

2)電解質水溶液:自阿瑞尼士提出解離說之後,解釋了為什麼水溶液可以導電的現象,故電解質水溶液亦可稱為導體。

2.絕緣體】:電子無法在原子間自由運動的物質,例如玻璃、塑膠…等物質,因為絶緣體的電阻極大,不易讓電流通過。

3.電子流:早期科學家認為在電路中是正電荷會流動,而實際上在導體中流動的不是正電荷而是帶負電荷的自由電子,由外電路的低電位流向高電位此點將在單元肆:「電流與電子流」中詳述

 二、伏特計的使用

(一)測量電壓的儀器:

1.測量電壓的儀器稱為:電位計或電壓計,也可以用該儀器使用的單位命名,如:伏特計、毫伏特計或微伏特計。

2.伏特計(如圖二所示)應與待測電路並聯】使用。

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3.使用前先調整歸零鈕使指針歸零

4.伏特計有不同測量範圍時,應由可測範圍較大的端子先接,再逐漸降低測
量範圍
,以免儀器因過大電壓而損壞。

5.正極端子與電路的高電位相接,負極端子與電路的低電位相接。

6.伏特計的內電阻較外電路(或電器)的電阻為大,故可以直接與電源的正、負極相接,以測量電源的電壓。

7.伏特計在使用時因本身的電阻很大,故於並聯電路中所分配到的分支電流很小,消耗的電能也很少,故通常都忽略不計。

8.伏特計的接線端子有正、負極之分,在使用時需將正極端子接於電源的正極(或高電位),負極端子接於電源的負極(或低電位)。(如圖三所示):

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9.常用的電壓單位:

伏特(mV),1V1000 mV

伏特(μV),1 mV1000μV

1V106μV

(二)電壓的測量:

1.於真實的電路中欲測量電壓時,應先判斷與電壓計並聯的兩點何者為高電位、何者為低電位?因為電壓計有正、負極端子之分,若接錯可能造成儀器損壞。

2.大多數的電壓計都有多個正極端子,但負極端子只有一個,除了負極端子必須要接於電路之外,正極端子則有所選擇。在未知電路的電壓時,應先由可測量較大範圍的端子先接通,再視測量的電壓大小來決定是否更換為較小範圍的端子。

0

 

 

 
3.測量的實例:(如圖四)為一待測電路,試回答下列問題:
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1)若欲測量圖中AB兩點的電位差,則電壓計的甲應接於電路中的哪一點上較為妥當?答:甲為電壓計的負極端子,應接B點,因為B點為低電位。

2A點接妥之後B點應與電壓計的哪一端子相接?

答:與標示6V子相接,因為此端子可測量的範圍最大。

3)承上題,當電壓計接妥之後,指針的讀數(如圖五)所示,則測量的電壓應為多少伏特?

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:因為此時正極接於標示6V的端子上,故最大讀數為6V,圖中電壓計的最小刻度為0.1V,指針位在0.5V的刻度上,而測量應在最小刻度後再加一位估計值,因此得到測量的電壓為:0.50V

4)依上圖五的數據判斷,負極端子應改接於何種標示的端子上,再次進行測量,可以求得更準確的讀數?

:應改接於標示600mV的端子上,因為上題中的讀數為0.50V,亦即等於500mV,故改接於600mV的端子可測得較準確的讀數,且又不至超出電壓計的測量範圍。

5承第4)題,負極端子接於600mV,見電壓計指針讀數(如圖六所示),則此時測得的電壓為若干?

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:在圖六中電壓計最小的刻度為10mV,而指針位在550mV的刻度上,故應記應為:電壓=550mV。(估計值在個位數,亦即1mV

三、電流與電子流

一、導線中電荷的流動

(一)電流:

1.電流的定義:代表正電荷在導線中的流動,由高電位流向低電位,亦即由電池的正極經外電路再流回電池的負極。(如圖一所示):

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2.電流的概念是一種以水的流動,為一種比擬的假說,後經科學家的證實;電流在導體中並不存在,但因為此一概念在科學界引用已久且成為習慣,故至今仍然沿用。

(二)電子流:

1.電子流:在導體中負電荷的流動,事實上在導線中流動的是【電子流】即負電荷,而【電流】是電子流的反方向。(如圖二)

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2.【電子流】由電池的負極流向正極。【電流】由電池的正極流向負極,對電子而言;電子在電池的負極具有高電位能,在電路中將電位能釋放後回到電池的正極,故電子在電池的正極其電位能較低

 二、電流的測量

(一)測量電流的儀器:

1.電流計與電路【串聯】。(如圖三)

2.電流計的使用:又可稱為安培計,為測量電流的儀器。(如圖四)

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3.使用前先調整歸零鈕使指針歸零

4.電流計有不同測量範圍時,應可測範圍較大的端子先接,再逐漸降低測量範圍以免儀器因過大電流而損壞。(如圖三)

5.正極端子與電路的高電位相接,負極端子與電路的低電位相接。

6.安培計內電阻很小不可直接跨接於電源的正負極上,以免因電流太大而燒毀,亦稱為(short):短路

(二)電流的定義:

1.電流的定義

1)電流:在單位時間內通過導線某一面積的電量。

2)單位:安培庫侖/安培簡記為:(A); 1A1000mA

2.若以符號表示:I表示電流Q表示為電量t表示為時間,則三者的關係式為:
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3.電流的大小與導線的電阻及電路中的電位差有關,電流與電阻成反比,與電位差成正比,三者的關係式為:

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V為電壓、R為電阻)此點將在單元伍:「歐姆定律」中詳述。

三、電器的串聯與並聯

(一)電器的串聯:

1.當電器以串聯方式接於電路中時(如圖五),則在電路中任意一點所測得的電流大小皆相等。
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2.電流由電源的高電位流經外電路;流向低電位,有如水流由位置較高處流向低處一般。

3.以能量的觀點:電流由電源的高電位能處經外電路流向低電位能,電能則在電器中消耗並轉變成其他形式的能量。

4.電流通過電器時,消耗的只是「電位能」,電量不會減少

(二)電器的並聯:

1.電器以並聯方式連接於電路中時,則線路中各並聯電器的電壓是相等的,而電路中各分支電流的和等於總電流。(如圖六)
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2.電流與時間的乘積即等於電量,亦即:公式: QI×t

3.例如:圖七之電路裝置中;電流計的讀數為0.5安培,則:

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1)通電1分鐘時,通過電燈泡的總電量應為多少?
:根據QI×t,通電時間為60秒,則Q0.5×60,故通過的總電量Q30 庫侖。

2)承上題;若電池的電壓為1.5V,則通電1分鐘後消耗的電能若干?
答:根據電能UQ×V,故通電60秒後消耗的電能U30×1.5

U45焦耳。

(三)電路的安全:

1.並聯電器可以降低電路中的總電阻,所以並聯的電器愈多,則總電流會愈大,而電路所能承受的電流有一最大值,若電流過大時有可能會使電路因發熱而燒毀俗稱:電線走火

2.安全負載電流:在不影響電路安全的前提下,電路所能負荷的最大電流,稱為全安負載,家庭中所配置的電路有一定的安全負載,不可任意增加使用電器的數量,以避免電流過大而發生危險。

3.一般家庭用電器皆為並聯方式接於電路中,但並聯愈多電器則總電流會愈大,故為安全起見,應避免同時使用過多的電器,或於電路中串聯一個保險絲(如圖八所示)。

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4.保險絲:

1)保險絲的電路符號為:

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2)保險絲為合金製成,電阻較導線稍大,且具有低熔點的特性,遇
電路中的電流過大時,因高溫而先行熔斷使電路呈斷路,故可保
障電
路的安全。

四、電阻與歐姆定律:

一、電阻

(一)電阻的成因:

1.所謂電阻大小是代表電流在導體中流動的難易程度。

2.電阻的成因:電流通過導線時,與導線中的原子發生碰撞所生的現象,故會影響單位時間內通過導線的電量大小,且伴隨而生的是電能的消耗,並使電能轉變為熱能,即電流的熱效應

3.響電阻大小的因素有:電子在導體中與原子的碰撞,與導體的形狀、導體的種類、溫度及截面積…等因素有關。

4.合金的電阻較純度高的金屬元素為大,而同一種類的金屬其純度愈高則電阻愈小。

(二)電阻的定義:

1.【電阻】:通過導線上任意截面的電流為1安培時,導線兩端所須施加的電壓即為該導線的電阻。

2.相同種類的金屬導體,其電阻與長度L成正比與截面積A成反比

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ρ為金屬的電阻係數,同一種類的金屬ρ為一定值。

3.金屬中以銀的電阻最小銅的電阻次之,電阻的大小會受到溫度的影響,一般而言,溫度愈高則電阻愈大

4.電阻的單位:歐姆ohm,簡記為Ω)其關係式如表所示:

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5.電阻的運用:

1)電流通過電阻會產生光和熱,稱為電流的熱效應

如:鎢絲電燈泡因鎢的電阻大,當電流通過時會發熱達高溫而發光。

2)利用電阻可控制電器所需的電流大小、或達到降低電壓的效果。

3)導線的電阻會消耗電能並轉換成熱能,稱為電流的熱效應,會造成能量的損失。

 二、歐姆定律

(一)定義:

1.歐姆定律:在導體的兩端施以電壓,改變電壓的大小,觀察電壓與電流的關係,若【電壓與電流成正比】亦即【電壓與電流的比值維持一定值】,代表此一導體的【電阻為一定值】,並不會受電壓大小而改變,則稱此一導體遵守歐姆定律。

電阻的電路符號為:This is an images

2.一般而言,在一定溫下,金屬是遵守歐姆定律的,真空管及半導體會因施加電壓增大而電阻逐漸變小,故不遵守歐姆定律。

3.某些物質在極低的溫度下,其電阻會趨近於零,例如超導體,但因在技術上要維持低溫不容易,故超導體目前尚不能普遍運用。

(二)歐姆定律實驗:

1.電阻裝置於電路中,改變電壓的大小觀察電路中的電流變化。

2.例:將電阻R裝置於電路中;其裝置:(如圖一所示)

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逐漸增加電源的電壓,觀察圖中安培計和伏特計的讀數並記錄於表二中所示:

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3.將表一所列數據繪成電壓與電~流的關係圖,又稱:V-I圖形(如圖二)

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1)由V-I圖形可以看出實驗中使用的電阻,其電阻值並不隨著電壓而改變,亦即維持一定值(150Ω)。

2)此種【電阻值固定】或【VI的比值固定】的關係稱為:歐姆定律

(三)不遵守歐姆定律的電阻:

1.半導體、真空管、二極體等皆為不遵守歐姆定律,以圖三為例,同一電器的電阻值會隨著電壓大小而改變,故此種電器並不遵守歐姆定律

2.不遵守歐姆定律的電阻,其電壓與流電的關係V-I圖形)的曲線不成一直線,亦即:不遵守歐姆定律的電阻,其電壓與電流的變化關係不成正比。(如圖三所示):

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說明:

1)由圖中數據可知:當電壓=2V時,電流為0.05A,此時電阻值為:

R1This is an images  40Ω

2)當電壓=4V時,電流為0.2A,此時電阻值為:

R2This is an images  20Ω

注意此電器的電阻值因電壓增加而由40Ω下降至20Ω,並未保持定值。

3)當電壓=2V時,電流為0.05A,此時電阻值為:

RThis is an images  12.5Ω ,再次證實此電器的電阻值會因電壓大小而改變。

 

三、電壓與電流的關係

(一)電壓與電流的座標圖:

1.根據電阻的定義:RThis is an images,則可推論:電壓與電流的比值即等於電阻。

2.由電壓與電流的關係圖(V-I圖形),可以看出一電阻值的特性,若遵守歐姆定律的電阻器,其V-I圖形的關係曲線為一通過原點的傾斜直線。

3.依據V-I圖形的關係曲線上的各點數據可以求出電阻值,且曲線與水平的夾角度代表電阻的大小。(如圖四所示):

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說明:

1)圖四中的甲、乙兩條直線分別代表兩個不同的電阻器,試判斷兩電阻的大小關係:

答:由圖中的直線與水平的夾角關係:甲>乙判斷兩者的電阻大小關係為:乙>甲

2)若將甲、乙兩電阻並聯後再繪製V-I圖形,則其關係曲線會落在圖四中的哪一區內?

答:因並聯電阻,其總電阻變小,故V-I圖形關係直線與水平的夾角會增大,故關係直線應落在第Ⅰ區

3試求甲、乙的電阻值各為多少?

答:甲=2÷0.04甲=50Ω  乙=4÷0.04乙=100Ω

 

創用CC標示:
CC