電學
外观
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電學(electricity,electrical science)是涵蓋一切以電為研究基礎的學科,屬物理學的重要分支學科。19世紀末隨著電報、電力系統的應用逐漸奠定了此工程的學科基礎,並廣泛地應用在各個領域。在技職教育上,以基本電學作為起始基礎教育學科,電機工程包括許多「次領域」如:電路學、電子學、電力學、電磁學等等,並且與其他物理科學領域有相互關係。
發展歷史
[编辑]在20世紀初期發明的真空管,可以放大和處理電子訊號,因此產生了廣播、電視、和電話等遠程通訊事業,使人類的通訊和娛樂方式為之改觀。但是以真空管裝配的電子產品,不但體積大而且耗電量多,因此早期的電子工業對人類生活的影響,主要是在通訊和娛樂方面。在20世紀中期所發明的電晶體和其後發展的積體電路(Inte-grated Circuit,簡稱IC)技術,幾乎完全取代了真空管,電子工業產生了革命性的變化,電子電路的設計和製造縮小到微米的尺寸。利用新的電子技術,機器生產得以自動化,通訊更為便捷且多樣化,對人類生活的各個層面產生了深遠的影響。在20世紀的末期,個人電腦和網際網路的普及,縮短了人與人之間的距離,使得天涯若比鄰。
电学基本概念
[编辑]基本電學
[编辑]国际单位制电学單位 | |||
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基本單位 | |||
單位 | 符號 | 物理量 | 註 |
安培 | A | 電流 | |
導出單位 | |||
單位 | 符號 | 物理量 | 註 |
伏特 | V | 電勢,電勢差,電動勢 | = W/A |
歐姆 | Ω | 電阻,電抗,阻抗 | = V/A |
法拉 | F | 電容 | |
亨利 | H | 電感 | |
西門子 | S | 電導,導納,磁化率 | = Ω−1 |
庫侖 | C | 電荷量 | = A⋅s |
歐姆⋅米 | Ω⋅m | 電阻率 | ρ |
西門子/每米 | S/m | 電導率 | |
法拉/每米 | F/m | 電容率;介電常數 | ε |
反法拉 | F −1 | 電彈性 | = F −1 |
伏安 | VA | 交流電功率,視在功率 | |
無功伏安 | var | 無功功率,虛功 | |
瓦特 | W | 电功率,有功功率,實功 | = J/s |
千瓦⋅时 | kW⋅h | 电能 | = 3.6 MJ |
- 電子(electron):在原子中,圍繞在原子核外面帶負電荷的稱為電子。
- 電路(electrics circuit):由電源、用電器、導線等連接組成的電流通道,分为閉合電路和開合電路。不經負載的闭合电路被稱之为短路。电子元器件在电路中的连接方法有串聯和並聯两种基本形式。
- 電壓(voltage)或稱電位差,是趨使電子流經導線的一種潛能,若把電荷從一點移到另一點必須對電場做功就稱兩點之間存在電壓(電位差)。
- 電子流(electric current):在電路中正電荷其實不移動,實際移動為電子,電子流的方向為電流的反向
- 電荷(electric charge)是電子負荷的量,電場之源。當正電荷發生淨移動時,在其移動方向上即構成電流。
- 電阻(electric resistance):限制電路中電流的量,亦稱為電流的阻力。
- 阻抗(impedance):交流電路中對電流限制能力(以同電阻用於直流電路非常相似的方式)的一種度量。定義為電壓除以電流
- 電功率(electric Power):定義為單位時間內所作之功。因導線不積存電荷,故在一閉合電路中有多少電荷通過電池必有相同量之電荷通過電阻。
- 電場(electric field):正或負電荷周圍產生電作用的區域,電場方向由高電位指向低電位。
- 電容(capacitance):加電壓至金屬平行板上,電荷會分布於其上,而其所表現的比例常數值,也是存儲電荷能力的度量。
- 電感(inductance):線圈由變化磁場對另一個線圈(互感,M)或自身(自感,L)產生電壓能力的度量
應用電學
[编辑]- 電源(power supply):乾電池與家用的110V/220V 交流電源是常見的電壓源。
- 充電(electrify)
- 變壓/整流(rectification/commutation):把交流電(不斷改變方向的電流)變為直流電,只允許電流朝一個方向流動。電燈和電機使用交流電,但大多數電子設備需用直流電。
- 導體 (conductor)
- 接地(ground connection; grounding; earthing)
- 電擊(electric shock):經由導體接觸到某程度的電壓源,人體只要1mA就會有觸電之感覺,5mA以上就會有肌肉痙攣現象,在嚴格控制下可作為醫療使用,但未受控制下將會造成生命危險。
研究領域
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主要的研究领域是:
- 靜電學是研究「靜止電荷」的特性及規律的一門學科。
- 電子學(electronics)以電子電洞為基礎, 探討的電流量通常較小(弱電), 藉由控制帶電粒子, 以達到儲存資料或是控制開關等目的。相关概念如:半導體、積體電路(IC)、印刷電路板(PCB)、固態元件等。
- 微電子學(microelectronics)是電子學中的子領域,是一項專門研究與學習如何將電子組件(或稱:電子零件)以極小型的方式研製生產的學問。
- 電力學是以探討大電流(強電), 高功率的電路為主的科學, 常應用於發電、供電系統。相关概念如:發電機/馬達、變壓器/整流器、功率元件等。
- 電路學(electric circuits[1][2],circuitry[3][4])以克希荷夫定律(Kirchhoff's rules)為基礎,探討元器件的「電壓」與「電流」關係;或是探討放大,雜音的關係。工程師利用電子元件來設計「電路」以實現所需的功能。
次領域有機電整合、壓電力學、數位控制、自動控制、電工學 (electrotechnics)、電磁學、控制系統、機器人學(robotics)、電機(electric machinery)等。
交叉領域有光學(光電學/光電子學)、電化學、電子物理、量子力學、核子工程、電子材料、生物电子学、医学电子学等。
其他相關的基礎學科有微積分、工程數學、離散數學、工程英文等。
代表科學家及其贡献
[编辑]科学家 | 贡献 |
---|---|
本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin) | 避雷針 |
安德烈-玛丽·安培(André-Marie Ampère) | 安培定則、安培定律 |
亞歷山卓·伏打(Alessandro Volta) | 伏打电池 |
海因里希·鲁道夫·赫兹(H.Hertz) | 電磁波 |
迈克尔·法拉第(Michael Faraday) | 電磁感應、抗磁性、電解 |
庫侖(C.A.Coulomb) | 庫侖定律 |
亨德里克·洛倫茲(H.A.Lorentz) | |
约瑟夫·汤姆孙(J.J.Thomson) | 電子 |
馬克士威(J. C. Maxwell) | 馬克士威方程組 |
维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg) | |
路易·德布羅意(Louis de Broglie) | |
埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger) | |
約瑟·亨利(Joseph Henry) | |
尼尔斯·玻尔(Niels Bohr) | |
古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff) | 克希荷夫定律 |
戴維南(Léon Charles Thévenin) | 戴維寧定理 |
托马斯·爱迪生(Thomas Alva Edison) | |
尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) | |
蔡少堂(Leon Ong Chua) | |
愛德華·勞笠·諾頓(Edward Lawry Norton) | 諾頓定理 |
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 林欽裕. 電路學. 台灣五南圖書出版股份有限公司. 2015: 封面 [2024-02-27]. ISBN 9789571140971. (原始内容存档于2024-02-27).
- ^ https://web.ee.ntu.edu.tw/course_detail.php?CA_ID=4595
- ^ https://terms.naer.edu.tw/detail/08aad6c81d23b5afb4705de473f1f179/
- ^ https://terms.naer.edu.tw/detail/cbc2307c2c1b8746baf983f9981eb112/