原子結構： 物質均由原子所組成，原子的中心為原子核，體積很小，但聚集了原子幾乎絕大部份的質量，原子核內含有質子及中子，質子帶正電(+)，中子不帶電。 原子核外有一層層的電子，如行星繞太陽般，圍繞著原子核運轉，電子帶負電(-)。 一般而言，原子核內帶正電的質子數與核外的電子數目相同，而其電性相反，正負中和的結果使原子呈中性。

Presentation on theme: "原子結構： 物質均由原子所組成，原子的中心為原子核，體積很小，但聚集了原子幾乎絕大部份的質量，原子核內含有質子及中子，質子帶正電(+)，中子不帶電。 原子核外有一層層的電子，如行星繞太陽般，圍繞著原子核運轉，電子帶負電(-)。 一般而言，原子核內帶正電的質子數與核外的電子數目相同，而其電性相反，正負中和的結果使原子呈中性。"— Presentation transcript:

1 原子結構： 物質均由原子所組成，原子的中心為原子核，體積很小，但聚集了原子幾乎絕大部份的質量，原子核內含有質子及中子，質子帶正電(+)，中子不帶電。 原子核外有一層層的電子，如行星繞太陽般，圍繞著原子核運轉，電子帶負電(-)。 一般而言，原子核內帶正電的質子數與核外的電子數目相同，而其電性相反，正負中和的結果使原子呈中性。 每一層的電子數：2 n2，n 為第 n 層 第 1 層：2 × 12 = 2 個 第 2 層：2 × 22 = 8 個 第 3 層：2 × 32 = 18 個 依此類推 矽原子 價電子： 原子核最外層的電子稱為價電子，例如：銅(Cu)原子序為 29，有 1 個價電子 一般而言，當價電子數為 8 個時，其化學性最安定，為八隅體。原子均有形成八隅體的趨勢。

2 陽離子： 陰離子： 導體： 絕緣體： 半導體： 若原子失去了某些電子，則形成帶正電的陽離子。 若原子自外界獲得電子，則形成帶負電的陰離子。
例如：氯化鈉 (NaCl) 中的氯原子與鈉原子共用價電子形成氯化鈉晶體，若溶於水中，氯原子劫取鈉原子的價電子而形成氯離子(Cl-)，為帶負電的陰離子。鈉原子失去價電子而形成鈉離子(Na+)，為帶正電的陽離子。 導體： 若物質之價電子少於 4 個，則易失去電子而導電。一般的導體都只有少數的價電子，1 個、2 個或3個。在物質內電荷是否容易流動的特性，稱為此物質的導電度 (Conductivity)。銀的導電度最佳，銅次之。 絕緣體： 若物質的價電子多於 4 個，則導電度較差。具有很差的導電度者，稱為絕緣體。例如塑膠、陶瓷、橡膠、紙及空氣等。最佳的絕緣體有完整的價電子層，通常有 8 個價電子，價電子不會流失，無法導電。但若加上很高的電壓，任何物質都會崩潰。絕緣體能承受高壓而不崩潰的能力，稱為介質強度。 半導體： 半導體通常有 4 個價電子，其導電度介於導體與絕緣體之間。最主要的半導體材料為矽(Si)，另一種材料為鍺(Ge)。

3 靜電： 電荷間的吸引力與排斥力： 同性相斥，異性相吸
若某物體失去了一些電子，則此物體帶正電。若從外界獲得了一些電子，此物體帶負電。因為電荷停留在物體上，並沒有持續的流動，因此稱為靜電。 例如：用絲綢布磨擦一根玻璃棒，玻璃棒的一些價電子會流失而停留在絲綢布上，玻璃棒失去電子而帶正電，絲綢布得到電子而帶負電。當兩者分離後，這些電子並沒有持續流動而停留在物體上，因此是帶有靜電。 電荷間的吸引力與排斥力： 同性相斥，異性相吸 如果用一個帶正電的玻璃棒靠近一個不帶電的球，球中許多帶負電的價電子會被吸引至靠玻璃棒的一方，另一方則帶正電。因正負相吸的結果，球會被玻璃棒所吸引。 靜電的產生常常來自於摩擦，日常生活中常有許多靜電的現象。例如從乾衣機中拿出衣服時容易相吸引、穿脫毛衣的時後、頭髮被梳子所吸引、手被金屬門把電到等等。

4 靜電的釋放： 當正負電間的吸引力太強，中間相隔的絕緣介質無法承受時，介質會被電離，帶負電的電子會流向帶正電的物體。在此能量釋放的過程中，常會伴隨著火花、聲音或發光等。例如天空帶電的雲層與地表帶相反電荷的物體，或天空中雲層間靜電的釋放等，會造成閃電與打雷。 靜電的應用： 例 1：靜電除塵器 (Electrostatic precipitators) 如右圖，使圓棒帶負電，板子帶正電。當灰塵被吸入通過圓棒時，圓棒的電子會移到灰塵粒子上，使灰塵粒子帶負電，受到帶正電板子的吸引而吸附在板子上，達到除塵的效果。 例 2：靜電噴漆 (Spray-painting) 使欲噴漆的鈑金件帶正電，噴槍口帶負電。當漆料從噴嘴噴出時，負電荷會移到霧狀的漆料粒子上。正負電相吸的結果會使得漆料均勻的分佈在鈑金件的曲面上。

5 氣體導電： 氣體導電現象通常包含了帶負電的電子與帶正電陽離子的流動。當氣體承受一個過強的電場時，氣體會被電離而失去價電子形成自由電子，而氣體原子因失去電子形成陽離子，兩者都會受電場的吸引而流動，形成氣體導電的現象。 以下是氖 (Ne) 氣燈管導電的例子： 氖氣承受燈管兩端過大的電場而電離，帶負電的價電子流向電場正端，失去價電子而帶正電的氖離子則流向電場負端，氖離子流至電場負端重新獲得電子而回復為中性的氖原子，等待下次重新被電離。 液體導電： 液體導電的現象通常是陽離子與陰離子的流動。液體溶液中含有陽離子與陰離子，受到電場的吸引，陽離子流向電場負極，陰離子流向正極，形成液體導電的現象。可以形成離子造成導電現象的溶液稱為電解質 (electrolyte)。

6 固體導電： 以下是液體導電的例子，在鐵板上電鍍上一層銅：
鐵板接上電場的負極，銅板接上電場的正極，使用硫酸銅當作電解質。硫酸銅溶液會形成帶正電的銅離子 (Cu++) 與帶負電的硫酸離子 (SO4- -)。銅離子流向電場負極的鐵板上，獲得了電子而附著在鐵板上。因此鐵板會鍍上一層銅。硫酸離子流向電場正極的銅板，與銅結合成硫酸銅重回溶液中再被電解。 固體導電： 固體中的原子被拘束在結晶格中無法流動，因此固體導電的現象都是只有原子最外層的價電子在流動，亦即只有帶負電的價電子在流動。流動的方式為：位於後方的電子推擠前方的電子，造成整排一起被推動，如右下圖所示。 有如一整排的球，後方推擠前方，一起向前方流動。單顆或個別電子的速度並不會很快，但後方推前方的效果造成電荷流動速度極快，近乎光速。 注意：固體導電只有價電子在流動，而液體或氣體導電通常含有整個離子 (失去或獲得電子的原子) 在流動。

7 科學標記法： 通常用科學標記法來表示很大或很小的數目字，使用 10 的次方來表示量的大小。
科學標記法： a × 10b ，其中 a 為實數， 1 ≦ a < 10，b 為整數。若為負數，則在數字前方加註一個負號。 例如： × ， × 10-5 其中 1 = ， 10 = 101 ， 100 = 102 ， = … 依此類推 … 依此類推

8 工程標記法： 許多工程單位常將 103、106 …等或 10-3、10-6 …等大小用一個字母來表示。字母的意義或稱呼如下表所示： 103
k kilo 千 10-3 m milli 千分之一(毫) 106 M mega 百萬 10-6 micro 百萬分之一(微) 109 G giga 十億 10-9 n nano 十億分之一(奈) 1012 T tera 兆 10-12 p pico 兆分之一 例如：0.0123m = 12.3mm，45.6g = kg，78.9 × 105 Hz = 7.89MHz，0.023s = 23ms， s = 45.6ms， mm = 78.9mm 等等 大單位轉換成小單位，小數點向右移位。小單位轉換成大單位，小數點向左移位。

9 電荷 (Charge)： 電流 (Current)：
原子中的質子帶正電荷，電子帶負電荷。電荷的單位為庫侖 (C)，一個電子的帶電量為 1.6 × C。 因此 1C 的電荷量相當於 個電子的帶電量。 通常以 Q 來表示電荷，Q = 2C 表示說電荷量為 2 庫侖。 電流 (Current)： 電荷流動就形成電流。在固体中只有價電子能流動，因此固體中的電流就是帶負電的價電子在流動。 通常用 I 來表示電流，電流量的大小是以每單位時間有多少電荷流過導體中的某個截面來定義。因此 Q ：電荷 ，單位為庫侖 (C) t：時間，通常以秒 (sec) 為單位 電流的單位為安培 (A)，1A 代表每秒鐘有 1C 的電荷流過。1C 的電荷量相當於 6.25 × 1018 個電子的帶電量，因此 1A 表示每秒鐘有 6.25 × 1018 個電子流過導體中的某個截面。

10 電流種類： 1. 直流電 (Direct Current；DC )： 電流的大小與方向維持穩定，不隨時間而變化者，稱為直流電，如右圖所示。
2. 交流電 (Alternating Current；AC )： 電流的大小與方向隨著時間作週期性規則變化者，稱為交流電，如右圖所示為一正弦波交流電流。 i t 有些電流或訊號可能同時含有直流與交流的成份，如右圖所示即為直流與正弦波交流電的合成。將兩者相加可以得到右圖之電流波形。

11 電壓 (Voltage)： 電子在原子外層的軌道具有能階，因此電荷都具有電位能 (或電位)，電荷有從高電位流向低電位的趨勢。若在電路中兩點間電位高低不同，亦即存在有電位差，就具有使電荷流動的力量，此力量稱為電動勢 (electromotive force；emf)。電位差或電動勢，通常稱為電壓。三者所指的意義都相同。簡單的說，電路中兩點間電位的差，造成電荷流動的趨勢，或者說使電荷流動的壓力。 通常以 V 或 E 來代表電壓，電荷從高電位處流向低電位處會作功 (釋放能量)，因此通常以每單位的電荷從一端流向另一端能作多少功來表示此兩點間電壓的大小。因此，電壓 Q：電荷量，單位為庫侖 (C)， W：能量，單位為焦耳 (J) 電壓的單位是伏特 (V)。兩點間的電壓為 1V 代表若有 1C 的電荷從電位較高的一點流到另一點時，會作 1J 的功。

12 電流方向： 若在導體的兩端接上一個電壓源，實際上是帶負電的價電子會從電源的負極流向正極，可稱之為電子流。但傳統的習慣以為電流是正電荷移動所造成。因為負電荷從電源負極流向正極就彷彿正電荷從正極流向負極一樣，因此大多數人均仍沿用傳統的習慣，稱正電荷流動形成電流，本課程採用傳統的說法，電流從電壓源的正極流向負極，從電位高處流向電位低處。 以水流來作比喻，兩處間的水位高度若不同，必存在有水壓，若兩處間是導通的，水流必從水位高處流向低處。 同理，兩點間的電位高度若不同，必存在有電壓，若兩點間是導通的，電流必從電位高處流向低處。 電壓標註 (雙足標)： 電壓即電路中兩點間的電位差，因此電壓標示時必須明確指出那兩點間的電位差才有意義，例如： Vab = 6V，代表 a 點的電位比 b 點電位高出 6V。因此，若 Vab = 6V，則Vba = -6V，因為若 a 點電位比 b 點高出 6V，則 b 點比 a 點高出 -6V。所以 Vab = -Vba Vac = Vab + Vbc

13 接地 (Ground)： 電路中不同點的電位差是相對比較的，接地最簡單的定義是在電路中可任意指定一個參考點，並定義此點的電位為 0V，其他點的電位與接地點來作比較。例如有某點的電位為 6V，代表此點的電位比接地點高出 6V。若有另一點的電位為 -3V，代表此點的電位比接地點低 3V。通常可以把電源的負極定義為接地點，此並不表示此點接到地球表面。此種性質的接地符號如右圖： 接地符號 底架接地： 另一種接地是將電路中某個共同的接點接到此裝置的金屬外殼，稱為底架接地。例如汽車電瓶的負極接到車殼。底架接地的符號如右圖所示。一般底架接地通常會透過電源插座的地線實際連接到大地，主要是安全的考量。當裝置有漏電或雷電等不在預期中的電荷時，可以透過地線將電荷傳輸到廣大的大地。 底架接地 右圖是家中常用的 110V 插座，中性線在電力公司變壓器的輸出端連接到大地，電位可設為 0V，火線電位 110V，電荷由火線流出經由中性線返回。地線則經由家中建築物中的金屬連接到大地。目前台灣大部份的建築物都沒有架設地線。 本課程的接地符號指電路接扡，電位設為 0V 的點，並不是真正的接到大地。

14 單足標： 為方便標註起見，常常將接地點的電位設為 0V，其他點的電位則與接地點來作比較，接地點的足標可以省略。例如：Va = 9V，因為只有一個足標，所以代表 a 點電位比接地點高出 9V，若 Vb = -3V，則表示 b 點電位比接地點低 3V。所以 Vab = Va – Vb = 12V。因此， Vab = Va - Vb 若某元件的電壓標示沒有足標，通常是指電流流過此一元件，電位下降了多少伏特。如右圖所示的元件 V = 3V，代表電荷從 + 端流到 – 端，電位下降了 3V。亦即，平均 1C 的電荷從 + 端流到 – 端，消耗了 3J 的能量，電荷位能降低會對元件作 功，此能量通常會轉換成熱或光或機械能等。

15 功率 (Power)： 電荷在單位時間內作了多少功，稱為電功率。 通常以 P 來代表功率，單位為瓦特 (W)。
t：時間，單位為秒 (sec)， W：功，單位為焦耳 (J)。 P = 1W 表示電荷於 1sec 的時間內作了 1J 的功。 注意：功率的單位瓦特 (W)，與功的代表英文字母 (W)，雖字母相同，但具有不同的涵義。 電流的定義：單位時間內流過多少電荷。電壓的定義：每單位電荷作了多少的功。將兩者相乘可以得到每單位時間作了多少的功。因此，電流 × 電壓 = 功率 例如：I = 2A 表示每秒流過 2C 的電荷，V = 3V 表示每 1C 的電荷作了 3J 的功，則每秒作了 2 × 3= 6J 的功，功率為 6W。 P = I × V 功率常使用另一種英制單位，稱為馬力 (HP) 1HP = 746W

16 能量： 電荷所作的功即為電能。功率為每單位時間所作的功，總共作了多少時間，將兩者相乘，可得到總共作了多少功。因此 W = P × t W：功，焦耳 (J) P：功率，瓦特 (W) t：時間，秒 (sec) 電能的另一種單位稱為仟瓦小時 (kWh)，俗稱度，亦即用了幾度的電能。功率使用仟瓦 (kW) 為單位，時間使用小時 (hour)。 1kW = 1000W，1hour = 3600sec，因此 1kWh = 1000W × 3600sec = 3.6 × 106J。 效率 (Efficiency)： 輸入電能至某一電器裝置，其中只有一部份會轉換成有效的輸出能量，另一部份以其他無效的能量消耗掉。例如輸入電能至馬達，只有一部份會轉成機械能，另一部份轉換成無效的熱能。輸入電能至燈泡，只有一部份轉成光能，另一部份成為無效的熱能。 輸出功率 = 輸入功率 × 效率 Pout = Pin × %eff 或

17 單位複習 物理量 常用代號 英文 全名 單位 英文全名 中文全名 電荷 Q Charge C Coulomb 庫侖 電流 I Current
Ampere 安培 電壓 V Voltage Volt 伏特 功 W Work J Joule 焦耳 kWh kilowatt-hour 度 功率 P Power Watt 瓦特 HP Horsepower 馬力 單位的意義： C：1C 相當於 6.25 × 1018 個電子的帶電量 A：每秒流過多少庫侖 (C) 的電荷 V：每庫侖 (C) 的電荷能作多少焦耳 (J) 的功 J： 1J 相當於施加 1Nt 的力使物體移動 1m 的能量 kWh： 1kWh 相當於 3.6 × 106 J 的能量 W (瓦特)：每秒作了多少焦耳 (J) 的功 HP：1HP 相當於 746W (瓦特)