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一封閉的迴路。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：直流電源和交流電源兩種，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，（如表一所示）。
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，任意一者損壞時並不會影響另一電器正常使用（如圖二）。
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）
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：
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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）。
（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。
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）：
9.常用的電壓單位：
毫伏特（mV），1V＝1000 mV，
微伏特（μV），1 mV＝1000μV，
1V＝106μV。
（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：
（1）若欲測量圖中A、B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。
（2）A點接妥之後，B點應與電壓計的哪一端子相接？
答：與標示6V的諯子相接，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？
答：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？
答：應改接於標示
（5）承第（4）題，負極端子接於
答：在圖六中電壓計最小的刻度為
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）：
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）
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）
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截面積的電量。
（2）單位：安培，即 庫侖/秒。安培簡記為：（A）；
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：
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：
（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。
2.電流由電源的高電位流經外電路；流向低電位處，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處，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）
2.電流與時間的乘積即等於電量，亦即：公式： Q＝I×t
3.例如：圖七之電路裝置中；電流計的讀數為0.5安培，則：
（1）通電1分鐘時，通過電燈泡的總電量應為多少？
答：根據Q＝I×t，通電時間為60秒，則Q＝0.5×60，故通過的總電量Q＝30 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U＝Q×V，故通電60秒後消耗的電能U＝30×1.5，
∴U＝45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）。
4.保險絲：
（1）保險絲的電路符號為：
（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.影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。
註：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）其關係式如表一所示：
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：在一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：
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.取一電阻裝置於電路中，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）
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：
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）
（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【V與I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）：
說明：
（1）由圖中數據可知：當電壓＝2V時，電流為
R1＝ 
＝ 40Ω
（2）當電壓＝4V時，電流為
R2＝ 
＝ 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
R＝ 
＝ 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：R＝
，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）：
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。