知識力

　　文明社會生活上，“電”(electricity)已經是人們常使用的名詞。然而一旦面臨“電是什麼東西？”的問題時，能夠回答出正確答案的人似乎不多。以下來敘述三項內容：

1. 靜電與電荷二者性質為何？
2. 靜電具有何種性質？
3. 庫侖定律(Coulomlis law)的意義為何？

　　產生電的方式有兩種，為摩擦起電與感應起電，以下介紹為摩擦起電。

　　在空氣乾燥的環境，大家都有經驗在穿或脫毛線衣時，衣服接觸部分會產生霹啪霹啪、藍白相間火花，這是兩物質因相互摩擦所產生正負電荷的靜電互相放電的結果。如圖0-1 所示為毛皮與塑膠棒摩擦起電。摩擦後毛皮帶正電，塑膠棒帶負電。如果摩擦材質換成採用絲絹與玻璃棒，這時絲絹會帶負電，而玻璃棒帶正電。

　　摩擦後帶的靜電具有以下重要性質，如下所敘：

1. 正電荷與正電荷，負電荷與負電荷，同性電荷會相斥。
2. 正電荷與負電荷，異性電荷會相互吸引。

　　摩擦後的靜電荷電量大小稱為庫侖(C)，一個電子所帶電量極微小僅− 1.6 × 10⁻¹⁹ 庫侖的電量。

　　此種電荷間相互間的作用力稱為靜電力。靜電作用力公式為\(f=k {q_1×q_2 \over d^2}\)，f 為靜電力(單位牛頓)，q₁ 與q₂ 為兩電荷電量大小(單位庫侖)，d 為兩電荷間的距離(單位公尺)，靜電作用力與兩電荷電量乘積成正比，與兩電荷距離平方成反比。

　　感應起電是利用永久磁鐵的磁力線切割線圈來產生感應電流，此原理稱為冷次定律(Lenz's law)。冷次定律是由俄國物理學家海因里希．冷次在1834 年發現的，就是線圈磁通量受到改變時所產生的感應電流，而感應電流所產生磁力線是用來抵抗外來的磁力線，感應電流方向可以使用安培右手定則來解釋。

　　圖0-3 為永久磁鐵進入線圈，這時線圈受磁力線切割，在線圈兩端會感應出電流由上往下。

　　圖0-4 為永久磁鐵離開線圈，這時線圈受磁力線切割，在線圈兩端會感應出電流由下而上。

　　眾所周知，一切物質均係由原子所構成。原子是由三種粒子所形成，為帶負電(electron)、帶正電(proton)與不帶電的中子。所謂電荷，係指帶電物體或電子等所帶的電量，電與靜電均以庫侖(coulomb)量值來表示。一個電子所帶電量極為微小，僅 − 1.6 × 10⁻¹⁹ 庫侖的電量，所以1 庫侖的電量為擁有6.25 × 10¹⁸ 的電子。

　　兩金屬電極板，正極板吸附6.25 × 10¹⁵ 的電子，為0.001 庫侖的電量，兩金屬電極板接上10V 的電壓，則此時電容量為何？如圖0-6 為兩電極板儲存電荷量與電容量的關係。

　　Q = C × V，所以0.001 = C × 10，如此C = 10⁻⁴F = 100μF。

　　電勢(電動勢)也稱為電位，但一般稱為電壓。電勢定義為單位電荷從無窮遠經過任意路徑，緩慢地移動到該位置所作的機械功。在電壓的正式定義裡，電壓為零伏特的位置是無窮遠。電壓的度量單位是伏特(volt)。假設將1 庫侖的電荷(單位電荷)從無窮遠緩慢地移動到某位置，需要用到1 焦耳的機械功，則這位置的電壓為1 伏特。如圖0-7 為電荷功與電壓關係。W = V × Q，W 為移動電荷所作的功(單位焦耳)，V 為電壓(單位伏特)，Q 為電量(單位庫侖)。

　　在一根導體上，電壓與導體上的電阻及通過電流的關係如下，V = I × R 一般稱為歐姆定律。如圖0-8 為歐姆定律，10V = 20Ω × I，電流I 為0.5A。

　　電子流就是單位時間內導體所通過的電子，電子流動方向是從電源的負極流到正極。導體僅有電子流在流動，但流動方向較難讓人適應與了解。因此重新定義從正極流出的電洞流稱為電流，電流流動的方向與電子流相反，但電流流動從電源的正極流到負極容易讓人接受，往後電路分析一律以電流為主來解釋。

　　電流公式為Q = I × t，Q 為通過導體電子所帶的電量(單位庫侖)，I 為電流(單位安培)，t 為時間(單位秒)。

　　上述導體流動電流為0.5A，由公式Q = I × t 得到Q = 0.5 × 1 = 0.5 庫侖，一個電子所帶電量為−1.6 × 10⁻¹⁹ 庫侖的電量，所以1 秒鐘通過導體的電子數為6.25 × 10¹⁸ 的一半，為3.125 × 10¹⁸ 個電子。

　　電功率(Electric power)是指單位時間發電機所產生的電能，流經負載所作的功。它的國際單位稱為瓦特(W)。當電流通過一個電器時，它能夠轉換能量成為機械能或發熱。運用電功率電器設備的種類有很多種，例如發熱(電熱器)、發光(燈泡)、產生動能(電動機)、發出聲音(揚聲器)或進行化學變化(電鍍)。電功率可經由發電機產生出來，或透過化學反應產生(電池)，或是由太陽照射(太陽能電池)，或是轉化為化學能儲存於蓄電池內。

　　電功率的公式為\(P=V×I=I^2×R={V^2\over R}\)，P 為電功率(單位瓦特W)，V 為電壓(單
位伏特V)，I 為電流(單位安培A)，R 為電阻(單位歐姆Ω)。

　　電能是指電以各種形式作功的能力。電能被廣泛應用在動力、照明、冶金、化學、紡織、通信或廣播等各個領域，是科學技術發展及國民經濟飛躍的主要動力。日常生活中使用的電能，譬如水力發電利用水推動發電機產生電能、火力發電藉著燃燒煤或瓦斯推動發電機產生電能、核能發電利用核分裂的能量推動發電機產生電能、風力發電仰賴大自然界的風的能量推動發電機產生電能、電池是透過內部化學反應將化學能轉換為電能還有光電池、太陽能電池是接受太陽光照射後將光能轉換為電能等，也可以轉換成其他形式的能量，如熱能、光能或動能等，其可以靠有線或無線的形式，作遠距離的傳輸。
　　電能的單位為千瓦小時或度，在物理學中它是一種能量，單位為焦耳或簡稱焦，符號是J。

　　電能公式：\(W=P×t=V×I×t=I^2×R×t={V^2\over R}×t\)

　　電能是指在一定的時間內，電路元件或設備吸收或發出的電能量，用符號W 表示，其國際單位為焦耳(J)，電能的計算公式為\(W=P×t=V×I×t\)通常用千瓦小時(kW·h)來表示大小，也稱為度(電)，且1 度(電) = 1kW．h = 3.6 × 10⁶J，即功率為1000W的供能或耗能元件，在1 小時時間內所發出或消耗的電能量為1 度。

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