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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

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基本電學與實習 課程大綱 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

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Part 1: 基本電學簡介 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。

■

Ch1.1

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Part 1: 基本電學簡介 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。　　　

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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。

■

物理方法化學方法

Ch1.2

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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。

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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 l

evel) ，愈接近原子核其能階愈低，愈往外能階愈高。

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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。

內容 From http://aeea.nmns.edu.tw/

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。

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Part 1: 基本電學簡介

內容 From http://aeea.nmns.edu.tw/

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。

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Part 1: 基本電學簡介 □ 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。

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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。

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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) 。

Ch1.3

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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。

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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。

Ch1.4

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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 (dimensio

n) 。 例 : 電流 (I) 的因次為 :

◆ 科學與工程標記法

QIT

科學標記法工程標記法

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Part 1: 基本電學簡介 Ch1.5

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Part 1: 基本電學簡介■ 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 :

191.6 1019 181 (1.6 10 ) 6.25 10

1 22

Q QF kd

, 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 。

Ch2.1

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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 : (A, )QI

t 安培

□ 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。

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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。

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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。

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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。

Ch2.2

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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 :

Wpt

( 瓦特 )

Ch2.3

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Part 1: 基本電學簡介 又 故 而 及

2

2

( )

( )

W VQW VQp VIt t

V Vp VI VR R

p VI IR I I R

( 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

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Part 1: 基本電學簡介例 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=550 x 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 :

2 25 10 250p I R ( 瓦特 )

60 0.545110

PIV

( 安培 )

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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 :

110 2020.545

VRI

100 0.495202

VIR

( 安培 )

2 2(0.495) 202 49.5p I R ( 瓦特 )

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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。

6 6

(kWh)1000

60 60 10001 kWh 1 kWh( )( )( )1 1 1 k

=3.6 10 Ws 3.6 10 ( )

ptW

WW

分 秒時 分

焦耳

Ch2.4

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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 :

51.79 10

10001000 1000 4 kWh 4000 16 ( )

250 250

ptW

Wtp

小時

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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。

Ch2.5

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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 :

(Ah)( )=(A)

安培-小時電池壽命時間 小時使用電流

(Ah)= 17.5(A)

70 電池壽命 小時4

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Part 1: 基本電學簡介◆ 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。

Ch2.6

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Part 1: 基本電學簡介■ 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 ( )lR

A

Ch3.1

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Part 1: 基本電學簡介

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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。

( - or - )RA m cm

l

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Part 1: 基本電學簡介

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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。

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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 tem

perature) 。□ -234.5 ℃ 是銅之推論絕對溫度，即銅之零電阻溫度。

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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。

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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) 。

( )VRI

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Part 1: 基本電學簡介■ 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 )

1

1 1 1 (AG lR lA

姆歐)

Ch3.3

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Part 1: 基本電學簡介■ 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。

2

2

(w)

(w)

P IR I I R

V VP VR R

或

Ch3.4

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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 :

600 5 (A)120

PIV

2

600 24 ( )25

PRI

(Joule)W Pt

4600 10 60 36 10 (Joule) 0.1 W Pt 度電

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Part 1: 基本電學簡介■ 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。

Ch3.5

@ NTUT EN 43

Part 1: 基本電學簡介

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Part 1: 基本電學簡介■ 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

Ch3.6

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Part 1: 基本電學簡介

@ NTUT EN 46

Part 1: 基本電學簡介

@ NTUT EN 47

Part 1: 基本電學簡介