基本電學與實習上課教師：王多柏老師電子工程系國立臺北科技大學

基本電學與實習上課教師： 王多柏老師電子工程系國立臺北科技大學教材提供：曾德樟老師

Part 1. 基本電學簡介 Part 2. 直流電路理論與分析 Part 3. 交流電路理論與分析 Part 4. 二極體與電晶體的認識 Part 5. 儀器操作與電路實習書籍:1.賴柏洲編著，基本電學(第五版)，全華圖書，2009 2.技職院校課程資源網(電機與電子群) http://course.tvc.ntnu.edu.tw/Web/Default.aspx 基本電學與實習課程大綱

電學發展史 1600年:吉柏特(英國)-發表任何物質經互相摩擦皆可帶電。 1752年:富蘭克林(美國)-說明空中閃電為電的特性並以正及負來解釋兩種不　　　　　　　　　　　　　　同性質的帶電體。　　 1785年:庫倫(法國)-證明兩帶電體間有作用力（庫倫定律）。 1800年:伏特(義大利)-發明世界上第一個伏打電池。 1819年:奧斯特(丹麥)-發現電流通過導體時，會使導體附近的磁針產生偏轉　　　　　　　　　　　　　現象，得知電流會產生磁場效應的結果。 1825年:安培(法國)-發現一帶電流導線在某點所產生之磁場與其所帶電　　　　　　　　　　　流成正比，與該點到導線之距離成反比（安培定律）。 1826年:歐姆(德國)-發現電路中電壓、電流與電阻三者間之關係（歐姆定律）。 1831年:法拉第(英國)與亨利（美國）-在不同實驗中，發現磁鐵在線圈上移動，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　線圈會產生電流現象。 1843年:焦耳(英國)-提出電能與熱能交換定律。 Part 1:基本電學簡介 Ch1.1 ■

1851年：莫斯-發明電報機。 1878年：貝爾-首創電話交換機。 1882年：愛迪生-在紐約創辦電力廠。 1898年：赫芝（德國)-發現以光速運動的電磁波與無線電波，從此揭開了　　　　　　　　　　　無線電世界的序幕。 1901年：馬可尼-發明無線電完成無線電通訊。 1904年：佛萊明-發明二極管。 1906年：德富雷斯特-發明真空管。 1920年：發明電視。 1930年：發明雷達。 1940年：發明電子計算機。　～～～電學的影響力已伸展到人類的生活領域中，它和人類的生活息息相關，電學已不再是學電子、電機或電腦者的專利，它已成為人人必備的基本知識。 Part 1:基本電學簡介

電的性質 ◆物質的結構凡具有質量且佔有空間的東西皆稱為物質(matter)，不論其以固體、液體或氣體形態存在，皆可分成化合物或混合物兩大類。 Part 1:基本電學簡介 Ch1.2 ■ 化學方法物理方法

◆原子的結構 每一個原子的結構是由原子核及環繞原子核軌道上帶負電的電子所組成。而原子核又由帶正電的質子與不帶電荷的中子所組成。 □原子核內質子與中子的總數即為原子量。 □繞原子核軌道運行的電子總數即為該元素之原子序。 Part 1:基本電學簡介

□ 電子為了維持在固定軌道上運行，必須具備能量，故將電子環繞運行的軌道稱為能圈(energy shell)。每一能圈對應一固定能階(energy level)，愈接近原子核其能階愈低，愈往外能階愈高。 Part 1:基本電學簡介

Part 1:基本電學簡介 電子在原子中的能階位置可以用「量子數 (Quantum Numbers)」來標示它。如下圖所示，一個電子僅能留存於許多軌道當中的一個軌道上。 n 為電子在原子內能階的位置標示之「量子數」。 n = 1 為能階中最低者，被稱之為「基態 (Ground State)」能階。 n > 1 為「激發態 (Excited State)」能階。內容From http://aeea.nmns.edu.tw/

Part 1:基本電學簡介 為了討論的方便，我們以下圖右側的階梯概念來代表電子在原子內不同軌道 (下左圖) 間的關係，稱之為「能階圖 (Energy Levels Diagram)」。當電子抓取得一個光子獲得能量時，有可能從較低的能階跳躍至較高能量的位階。同理地，當電子由較高的能階跳躍至較低能量的位階時，表示電子已經喪失能量，此時會伴隨著一個光子的釋出。電子的跳躍並不是隨意的，當電子所抓取得一個光子獲得能量，必須合乎能階摺梯 (如圖示) 間能量的差，電子才會從較低的能階跳躍至較高能量的位階。否則，電子並不會發生跳躍的行為。相同地，電子由較高的能階摺梯跳躍至較低能量的位階時，電子喪失能量也是呈固定量子性的，而不是隨意的能量。內容From http://aeea.nmns.edu.tw/

□ 每一能圈又可分成若干副圈(subshell) ，這些副圈由內至外定名為 s、p、d、f、g、h、i階。 Part 1:基本電學簡介

Part 1:基本電學簡介 □原子最外層能圈上的電子稱為價電子(valence electron) 。當價電子為 8個時，其化學性最安定，稱為八隅體。若價電子少於 4 個，極易受母體原子排斥而脫離母體原子，形成自由電子(free electrons) 。若價電子多於 4 個，則受母體原子的束縛不僅不會脫離母體原子，還會吸引其它原子的電子形成八隅體，此類電子稱為束縛電子(bound electrons) 。 □ 原子失去電子或獲取電子的過程稱為電離或游離(ionization)。價電子少於 4 個的原子，極易失去電子而形成帶正電的陽離子。價電子多於 4 個的原子，極易獲取其它原子中的電子而形成帶負電的陰離子。 □物質電離後即成為帶電體，在兩帶電體之間有一作用力，這是電的本質。

Part 1:基本電學簡介 Ch1.3 ◆導體、絕緣體與半導體 □ 若物質之價電子少於 4 個，極易失去電子，相對的提供多數的自由電子，且有良好之導電度者，稱為導體(conductor) ；如金屬之金、銀與銅等。 □ 若物質之價電子多於 4 個，極易獲取其它原子中的電子，相對的其僅提供少數的自由電子，且具有很差之導電度者，稱為絕緣體 (insulator) 或介質(dielectric) ；如塑膠、陶瓷、橡膠及紙張等。 □ 若物質之價電子等於 4 個，不易失去電子也不易由其它原子中獲取電子，其導電度介於導體與絕緣體之間者，稱為半導體 semiconductor) ；如矽與鍺。＊可允許電流流動之物質的特性，稱為導電度(conductivity) 。

Part 1:基本電學簡介 ＊絕緣體能支持不致崩潰之電壓值的能力，稱為介質強度 (dielectric strength)，以伏特/密爾(厚度)或V/mil為單位。

Part 1:基本電學簡介 Ch1.4 ◆單位與因次 □ 單位: 用以表示某一物理量所定的測量標準。目前國際上以長度、質量、時間、熱動溫度、物質量及光度等七項作為物理上的基本量；此七項基本量又以長度、質量和時間最常用。其它的量皆由基本量導出，稱為導出量。

Part 1:基本電學簡介 □ 因次: 任何物理量都可用長度(L)、質量(M)、時間(T)和電量(Q)四種基本量來表示，此種表示法即為該物理量之因次(dimension)。例: 電流(I)的因次為: ◆科學與工程標記法科學標記法工程標記法

Part 1:基本電學簡介 Ch1.5

Part 1:基本電學簡介 Ch2.1 ■基本電量 ◆電荷原子內的電子或質子是為基本電荷(charge) 。帶電體內含有電荷的數量稱為電量，其單位為庫倫(Coulomb；C) 。一個電子帶有約庫倫的負電荷，即一庫倫電荷含有個電子。 □ 電荷間互相吸引或排斥力，稱為靜電力。 □ 庫倫靜電定律: , k為比例常數。當同極性電荷之斥力時，F > 0；不同極性電荷之引力時，F < 0。

Part 1:基本電學簡介 ◆電流單位時間內，通過導體某一截面的電量，稱為電流(current)，以符號 I 表示，其數學式表示為: □電流的方向: 電流為導體中自由電子流動所形成，此種導體電流稱為電子流。但在電路分析上，一般都想像電流是經由正電荷移動所形成，此種電流與電子流有區別，稱之為慣用電流。

Part 1:基本電學簡介 □電流的種類: 1.直流(direct current，DC):電流大小及方向極性不隨時間變化。 2.交流(alternating current，AC):電流大小及方向極性隨時間作週期性規則變化。

Part 1:基本電學簡介 3.脈動電流:電流的方向與極性不變，但電流大小隨時間改變而作週期性變化，是一種含有交流成份的直流。 4.脈波電流:電流的方向極性不變，而電流波幅變化極大，有電流的時間極短促，且變化具有週期性者。

Part 1:基本電學簡介 Ch2.2 ◆電壓 □ 使電流在元件中流動的外力稱為電動勢(electromotive force，emf)。 □ 電荷儲存而未用的能量稱為位能，單位電荷所具有的位能為電位；當有兩個電位不相等的電荷存在時，這兩個電荷間的電位差應等於這兩個電荷間的電動勢亦稱為電壓(voltage)其單位為伏特(volt，v)。 □ 電壓跨接在元件兩端就產生作功，把電荷從元件的一端移動到另一端；因此可定義1伏特是1庫倫電荷作1焦耳的功，即: 1伏特=1 焦耳/庫倫。 □ 電壓的極性表示 V = Vab = a點對b點的電位差。

Part 1:基本電學簡介 Ch2.3 ◆功與功率 □ 功(work) 電路中已知兩點間之電位差或電壓為 V，此電壓促使電荷 Q 在電路中由某一點移至另一點的能力，稱之為作功，以 W表示為: W=VQ(焦耳) □功率(power) 電荷作功的速率，亦即電荷於單位時間內所作的功，稱之為功率，以 p表示為: (瓦特)

Part 1:基本電學簡介 又故而及 (瓦特) (瓦特) (瓦特) ＊功率的英制單位為馬力(HP)，其與瓦特之關係為: 1 馬力 = 746 瓦特 = 0.746 仟瓦

Part 1:基本電學簡介 (瓦特) 例1:若電流為5安培時，試問在10歐姆電阻器上所消耗之功率為若干？解: 例2: 一電動機在550伏特電壓下，取用30安培電流，若不計其損失，試求其輸出之馬力。解: 功率輸入 p=VI=550x 30 = 16500 (瓦特) 因不計其損失，故功率輸出=16500 ÷ 746 = 22.12 (馬力) 例3: 一白熾電燈之額定電壓為110伏特，功率為60瓦特，其額定電流及電阻各為若干？又若電力公司所供給之電壓為100伏特，則此電燈實耗功率為若干？解: (1)此電燈之額定電流為: (安培)

Part 1:基本電學簡介 (2)額定電阻為: (3) 電壓降低為100伏特，因其額定電阻不變，故其電流為: (4) 實耗功率為: (安培) (瓦特)

Part 1:基本電學簡介 Ch2.4 ◆能量供給一段時間的功率，稱之為能量(energy)，即能量為功率乘以時間，可表示為: W =pt(焦耳) □焦耳在 SI 制中的單位為瓦特秒(Ws)。在實用上，一般採用仟瓦小時(kilowatt hour，kWh)來表示能量的大小，如下式所示: □一仟瓦小時俗稱一度電，即一種電器當功率為一仟瓦而繼續使用一小時所承受或發生的能量。

Part 1:基本電學簡介 例4: 4馬力的電動機運轉1分鐘，消耗多少電能？解: 4馬力 x 0.746 仟瓦 = 2984 瓦特 W = pt = 2984 瓦特x 60秒 = 179040瓦特秒 = (焦耳) 例5: 一部250 W 電視機，在使用超過 4 kWh能量之前，試問其所需開機時間要多久？解:

Part 1:基本電學簡介 Ch2.5 ◆電壓源-電池在電動勢輸出之端點，可維持一特定電壓叫做電壓電源，簡稱電壓源(voltage source)。 □ 理想電壓源不因電流通過而影響其電壓大小，其內阻為零(理想)。 □電池為目前使用最廣泛的直流電壓源，可分為原電池與二次電池兩類。

Part 1:基本電學簡介 □原電池無法再充電，而二次電池則可再充電使用。最常見的充電式電池有鉛酸電池、鎳鎘電池與鋰電池。 □ 電池的額定容量是以安培-小時(Ampere-hours; Ah)或毫安培-小時(milliampere-hours: mAh)表示。 □ 電池的壽命可依下列公式來決定: 例6: 若電池的額定容量為70 Ah，當固定輸出 4 安培-小時時壽命為多少？解:

Part 1:基本電學簡介 Ch2.6 ◆其它電源 □ 發電機: 是利用機械能使導體與磁場間產生相對運動，導體切割磁力線而感應電動勢的機械。機械能的來源，如水力、火力、風力、核能、太陽能、地熱、潮汐與沼氣等。 □ 電流源: 電流源不像電壓源由原始元件所構成，而需以一電壓源來構成電流源，其原理是以整流和濾波等程序，將交流電壓轉換成穩定的直流電壓。

Part 1:基本電學簡介 Ch3.1 ■電阻(Resistance) ◆電阻是電路理論的三個基本參數(parameter)之一，其符號如下所示。 ◆一歐姆的定義為：當一伏特的電位差在電阻中產生一安培的電流時，該電阻為一歐姆。 ◆電阻的大小除了與導體材料有關外，且與導體長度( l ) 、電阻係數(ρ)成正比，而與截面積( A )成反比；即

Part 1:基本電學簡介

Part 1:基本電學簡介 ◆電阻係數電阻係數定義為：單位截面積及單位長度的導體所呈現的電阻，如下圖所示。

Part 1:基本電學簡介 ◆電阻溫度係數 □電阻與溫度的關係常用電阻溫度係數來表示。 □ 電阻溫度係數定義為：溫度每升高1℃時，所增加的電阻與原來溫度未改變時的電阻之比值，稱為原溫度時的溫度電阻係數，通常以α表示之。若以溫度為橫座標，金標屬材料之電阻為縱座標作曲線，則在一般工作溫度(-30℃至100℃)內，由實驗得知，該曲線幾乎成一直線，如下圖虛線所示。

Part 1:基本電學簡介 此直線(虛線)之下降率將直線延伸至與溫度軸相交處，即為零電阻時的溫度，以 -T℃表示之，稱為推論絕對溫度(inferred absolute temperature)。 □ -234.5℃ 是銅之推論絕對溫度，即銅之零電阻溫度。

Part 1:基本電學簡介 □金屬材料:其電阻值會隨溫度升高而增加。 □合金材料:其電阻值會隨溫度升高而增加，但因其增加率甚小，故常可忽略不計，所以一般常用來做為標準電阻。 □半導體、絕緣體及非金屬材料:其電阻值會隨溫度升高而降低。

Part 1:基本電學簡介 ■歐姆定律 ◆德國科學家歐姆(George Simon Ohm)於1827年以實驗發現金屬導體中，若溫度恒定的情形下，導體兩端的電壓V 和通過的電流 I 的比為一定值，此定值定義為電阻，這種現象稱為歐姆定律(Ohm's Low)，若以數學式表示，即： ◆由金屬材料製成之電阻，在恒溫下為定值，故其電流與電壓成直線變化關係，如下圖所示，此種電阻稱為線性電阻(linear resistance)。

Part 1:基本電學簡介 Ch3.3 ■電導(Conductance) 電導為電阻的倒數，其表示某種材料容許電流通過的能力，以G 表示，其單位為姆歐( mho) 或西門子( Siemens) 以S表示。式中稱為電導係數或導電率，其單位為(姆歐/公尺)

Part 1:基本電學簡介 Ch3.4 ■ 電阻器所吸收的功率 ◆供給任何元件電壓 V 及電流 I所產生的功率為： P = VI (w) ◆在電阻器中，電阻器的散逸功率可表為： ◆當電阻器通過電流時，所散逸的功率能將電能轉換成熱能，在不損壞電阻器下的功率稱之為額定功率或額定瓦特數。

Part 1:基本電學簡介 例7:一燈泡在120伏特工作電壓下額定功率為600瓦，試求燈泡電流、電阻各為何? 解: 在額定功率下允許通過之電流為電阻為 ◆ 一電路元件在 t秒內吸收固定 P瓦特的功率，則元件使用全部之能量為: 同上例: 若使用10分鐘的燈泡，則燈泡共消耗多少能量? 解:

Part 1:基本電學簡介 Ch3.5 ■ 實用的電阻器 ◆電阻器有兩種特性： □電阻值：電阻值一般以數值或色碼在電阻器上標出，正確電阻值會在某一特定數值間改變，亦即有誤差(tolerance)存在。 □額定瓦特數或額定功率：額定瓦特數為不損壞電阻器所能散逸的最大瓦特數。 ◆電阻器依其特性可分為三種： □ 固定電阻器。 □ 可變電阻器。 □ 特殊電阻器。

Part 1:基本電學簡介 Ch3.6 ■電阻的色碼 ◆三環式 1：十位數值 2：個位數值 3：10的乘冪值 4：無色代表誤差值為 ± 20％ ◆四環式 1：十位數值 2：個位數值 3：10的乘冪值 4：誤差值 ◆五環式 1：十位數值 2：個位數值 3：10的乘冪值 4：誤差值 5：可靠度

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