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觸電(Electric Shock)

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觸電(Electric Shock)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂觸電是指一定電壓流經過人體而產生足夠高的電流,使人體有麻痺的感覺。人體可以感覺觸電的最小電流大約是一毫安培(mA)。
如果電流超過一百毫安培,則有致命的危險。

當電器的火線與外殼接觸時,稱為漏電(current leakage),此時當人誤觸電器外殼時,會因短路而觸電,因此防範這種情形發生的方法為:確實做好接地(ground)工作,如果電器連接地線完整,即使火線與外殼接觸而漏電,人體就算接觸電器外殼也不會觸電。

保持身體乾燥或穿絕緣膠鞋,也是避免觸電的好方法。因為人體在乾燥時,等效電阻約為十萬歐姆,而全身溼透時,等效電阻降為二十分之一,成為五千歐姆,這也是為什麼洗完澡或淋雨過後,特別容易觸電的原因。

在臺灣,交流電頻率為六十赫茲(60 Hz),人體感覺大約是一毫安培;而無法自力脫離,指的是雖然感覺觸電,但因為身體處於麻痺狀態,因此無法由意識控制身體脫離觸電的處境。在六十赫茲下,電流只要超過十三毫安培(13 mA),就無法自力脫離。而超過一百毫安培時,會有立即致命的危險。

在不同頻率下,感覺觸電所需的電流並不相同,低頻下(小於十赫茲)與高頻下(大於一千赫茲)都比較不容易觸電,大約要超過五毫安培才會感覺觸電;尤其在超高頻(一萬赫茲以上),甚至要超過十五毫安培才會使人感覺觸電,因此適合拿來作為特技表演之用。

因此,當年愛迪生在電力系統直流與交流的爭奪戰中說:「直流電比交流電安全」實在是有理論依據,但最終於是以商業考量,交流電以高壓傳輸的損耗遠小於直流電而勝出。 觸電時間的長短與電壓高低決定觸電者的致命與否,一般而言,一百六十伏特(160 V)的電壓通過1秒以上就會有危險,而三百伏特(300 V)的電壓通過0.3杪就會有危險。

參考資料: http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock

短路(Short Circuit)

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短路(Short Circuit)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

短路可簡稱為short 或簡寫為s/c ,在電路中另一種路徑的傳輸,它的相反是開路,意思是電阻無限大。 它的定義是電路在兩節點間電阻異常的小,它會造成電流過度的大,可能造成起火或爆炸。
在電路分析時,可以用來設計零阻抗的元件,因為它可以強迫讓兩節點間有相同的電位差。理想的短路代表零電阻與零電壓降。在簡單電路分析中,導線被視為短路。
在電池中,以低電阻導線連接正負極會造成短路,因為電路電阻很低,會造成電流很大,因此電池的電能在很短時間內就會耗盡。 在電路中,由於電線的絕緣失效會造成短路,或加入一個導電物質,使電荷由另一條路徑傳輸。 在主要電路中,短路會發生在兩相之間,在一相與中性線之間,或在一相與接地線之間,這會造成電流急遽變大,進而觸發過電流保護裝置。也可能在中性線與接地導體間,或兩個同相導體,這種短路很危險,因為他們不會立刻產生大電流,因此比較不可能被偵測出,可能的損害會造成電路突然的能量增加,為了避免這種負面效應,電路分布轉換器被用來產生一定量的漏電抗。 上圖是暴風雪時,電線因為短路而造成爆炸。 短路通常會造成保險絲燒毀或斷路器變成斷路,或其他過載保護,使電路中斷,以避免過多的電流損壞電器,例如:常見家電用品的乾衣機承載電流約10 到20 安培,因此通常使用20 到30 安培的斷路器,而電燈承載電流小於10 安培,因此常常使用15到20 安培的斷路器。在家庭電路中,必須慎選斷路器,以確保電器不被過電流所損壞。 不良的安裝進而造成短路產生過電流會產生大量歐姆熱,例如電線絕緣失效,插頭的兩端互相接觸,或兩條電線互相接觸,有時會產生火災,有時會產生電弧,發出大量的熱進而引燃易燃物質。這種電弧是游離態的電漿,具有高傳導性。 上圖是一個交流220伏特插頭因為短路而損壞的情形,使一個25安培的斷路器立刻斷路

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Short_circuits

高電壓(High Voltage)

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高電壓(High Voltage)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂高電壓是指電路中的電壓很高而導致特殊的安全考量與需要絕緣裝置。國際電技術協會(IET, IEEE, VDE…等)定義:交流電1000伏特以上、直流電1500伏特以上稱為高壓電。
2005年美國國際電碼(National Electrical Code,NEC)定義:600伏特以上稱為高壓電。
高電壓常被用來產生陰極射線(cathode ray)、產生X射線或其他粒子束(particle beam)、在引擎的點火(ignition)系統中產生電弧(arcing)、用於光電倍增管(photomultiplier tubes)或高壓放大器的真空管(high power amplifier vacuum tubes)。 上圖是高電壓導致電崩潰(electrical breakdown)進而造成放電(electrical discharge),從特士拉線圈(Tesla coil)產生的電漿細線流(plasma filaments streaming)。
現在的家庭電器中,為了使用上的方便與功能的需求,也會使用較高電壓的電源,例如舊型電視中的陰極射線管、電漿電視的電漿電源、洗衣機等高附載的電動機、冷氣…等等,因此在電器檢查維修時,應特別注意電源是否已經關閉,避免高壓觸電的危險。
高壓電的危險在於它會使觸電的人在很短時間內產生致命的危險,在台灣有位知名的口足畫家~謝坤山,他就是因為誤觸高壓電而導致重度殘障。 高壓電塔雖然可以減少電能傳輸時的損耗,但卻也有輻射電磁波的疑慮,因此現在高壓電塔的設置常常引發居民的抗議。目前台灣的台電公司主要的輸送線路電壓有三種:34萬5仟伏特(345 kV)輸電線,又稱超高壓輸電線。
16萬1仟伏特(161 kV)輸電線,又稱一次輸電線。6萬9仟伏特(69 kV)輸電線,又稱二次輸電線。一般而前,從大型火力發電廠、核電廠與水力發電廠發出來的電壓是345 kV,經過超高壓變電所變成161 kV,經過一次變電所時變成69 kV,再經過二次變電所變成11 kV,最後在由桿上變壓器變成110 V和220 V輸送到工廠或家庭用電。 上圖為高壓電塔圖。 電壓只要超過50伏特就必須在標示高壓電的標誌。 上圖是國際安全標幟,ISO3864高壓電危險的符號。

參考資料:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/High_voltage
2. http://www.taipower.com.tw/

直流電(Direct Current)

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直流電(Direct Current)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

所謂直流電的意思是電流的方向保持固定,簡寫成DC或dc,它可以由電池、直流發電機或太陽能電池所產生的電能輸出裝置,如下圖所示。第一個圖是電池產生的,所以它的電流方向固定大小也固定;第二個圖是交流電經過一個半波整流器的輸出電流,因此雖然方向固定(也被稱為極性固定constant polarity),但大小卻仍可產生變化;第三個圖是由全波整流器產生的輸出電流。
直流電的種類 第一個商用直流電是由愛迪生(Thomas Edison)在十九世紀末所發明的,雖然直流電有可以直接應用於大部分電器的優點,但是無奈的是,它隨著距離衰減的速度太快,以至於需要在用戶附近建造很多發電所,因此被譏笑為”有錢人的玩藝”,而且在交流電問世後,就快速被取代。 直流電可以用變壓器變壓嗎?這個問題其實並不嚴謹,因此回答起來必須特別小心,因為像電池這種電流大小固定的電源,因為是穩定電流,所以沒有辦法產生隨時間改變的磁場,因此無法經由變壓器改變電壓,要改變電壓,只能藉由電池串聯的方式進行。
但是像半波電流或全波電流,因為電流大小並不固定,所以其實還是可以經由變壓器產生電壓的升降,例如電蚊拍與汽機車引擎的點火系統就是明顯的例子,單純的汽車蓄電池,是輸出12伏特的,但是憑藉著這麼低的電壓是無法點燃火星塞,進而引爆汽缸內的汽油蒸氣,因此必須事先升高電壓到大約兩萬伏特,因此如果沒有靠變壓器是無法達成的。
直流電因為電流方向固定,所以有三大效應:熱效應、磁效應與化學效應。其中熱效應指的是焦耳定律,電流通過電阻時,所產生的焦耳熱就是一種熱效應。磁效應指的是安培定律,載流導線產生的磁場會跟電流大小成正比,距離成反比。化學效應則是法拉第電解定律,詳細介紹請參照化學部份。

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Direct_current

並聯(Parallel Circuits)

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並聯(Parallel Circuits)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

常見的並聯電路有:電池(battery)並聯、電阻(resistance)並聯、電容(capacitor)並聯與電感(inductor)並聯。
電池並聯:電池並聯使用時,如果各電池電壓相等。

因為電子通過時,位能相同,所以電位也不變,故總電壓不變。即:Vtotal=V1=V2=…=Vn。如果各電池電壓不相等,將牽涉到電池被充電、放電與正接、反接問題,較為複雜。原則上,最高電壓的電池(或組合)為放電,其餘則會被充電。
電阻並聯:電阻並聯使用時,因為電子通過時,位能相同,所以電位降低相同,故總電壓等於分電壓,使得總電阻等於分電阻倒數和的倒數。再根據歐姆定律V=IR,我們可以知道每個電阻的電流分配會與電阻成正比。因此,當有電阻並聯使用時,會使得總電阻變小,換言之,如果有n個相同的電阻R並聯在一起時,總電阻就會變成R/n。 1/Rtotal=1/R1+1/R2+…+1/Rn 電容並聯:電容使用時,因為電容C=電量Q除以電壓V,因為是並聯電路,所以各電壓相等,再加上總電荷為分電荷之和,因此總電容為分電容的和。因此,當有電容並聯使用時,會使得總電容變大,換言之,如果有n個相同的電容C並聯在一起時,總電容就會變成nC。 Ctotal=C1+C2+…+Cn 電感並聯:電感使用時,因為各電壓相等,且各電流等於分電流之和,故總電感等於分電感倒數和的倒數。因此,當有電感並聯使用時,會使得總電感變小,換言之,如果有n個相同的電感L並聯在一起時,總電感就會變成L/n。 1/Ltotal=1/L1+1/L2+…+1/Ln 另外,力學裡也有類似的組成,例如:彈簧的並聯。因為各彈簧間感受的變形量與總變形量相同,因此根據虎克定律F=kx,所以總彈力常數等於分彈力常數的和。因此,當有彈簧並聯使用時,會使得總彈力常數變大,換言之,如果有n個相同的彈簧k並聯在一起時,總彈力常數就會變成nk。 ktotal=k1+k2+…+kn

參考資料
http://en.wikipedia.org/wiki/Series_and … l_circuits

串聯(Serial Circuits)

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串聯(Serial Circuits)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

在電路中,元件可以被連接的方式有串聯與並聯。 串聯電路 並聯電路 因為串聯電路只有一條路徑,所以電流會相等;相對的,因為並聯電路中,電流在節點分開,所以總電流為分電流之和。
常見的串聯電路有:電池(battery)串聯、電阻(resistance)串聯、電容(capacitor)串聯與電感(inductor)串聯。
電池串聯:電池串聯使用時,因為電子通過時,位能不斷提升,所以電位也不斷增加,故總電壓等於分電壓之和。即:Vtotal=V1+V2+…+Vn 電阻串聯:電阻串聯使用時,因為電子通過時,位能不斷減少,所以電位也不斷降低,故總電壓等於分電壓之和,使得總電阻等於分電阻之和。再根據歐姆定律V=IR,我們可以知道每個電阻的電壓降低會與電阻成正比。因此,當有電阻串聯使用時,會使得總電阻變大,換言之,如果有n個相同的電阻R串聯在一起時,總電阻就會變成nR。 Rtotal=R1+R2+…+Rn 電容串聯:電容使用時,因為電容C=電量Q除以電壓V,因為是串聯電路,所以各電荷量相等,再加上總電壓為分電壓之和,因此總電容為分電容倒數和的倒數。因此,當有電容串聯使用時,會使得總電容變小,換言之,如果有n個相同的電容C串聯在一起時,總電容就會變成C/n。 1/Ctotal=1/C1+1/C2+…+1/Cn 電感串聯:電感使用時,因為各電流相等,且各電壓等於分電壓之和,故總電感等於分電感之和。因此,當有電感串聯使用時,會使得總電感變大,換言之,如果有n個相同的電感L串聯在一起時,總電感就會變成nL。 Ltotal=L1+L2+…+Ln 另外,力學裡也有類似的組成,例如:彈簧的串聯。因為各彈簧間感受的作用力與總作用力相同,因此根據虎克定律F=kx,所以總彈力常數等於分彈力常數倒數和的倒數。
因此,當有彈簧串聯使用時,會使得總彈力常數變小,換言之,如果有n個相同的彈簧k串聯在一起時,總彈力常數就會變成k/n。 1/ktotal=1/k1+1/k2+…+1/kn

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Series_and … l_circuits

交流電(Alternating Current)

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交流電(Alternating Current)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

交流電(簡寫為AC或ac),是電荷做週期性來回流動,例如:一個電荷流過去、再流過來,再流過去、再流過來,如此一般不斷重複。相對地,直流表示電流方向固定。
在一般情形下,我們利用交流電將電能傳送到商業或住宅區。常見交流電波的圖形是正弦波,但在其他應用場合也可以是其他波形,例如三角波或方波。在電線內所傳輸的聲音或無線電訊號是一種交流電流的一種常見的例子,在這些應用實例中,重要的目標是恢復或解碼這些被加碼或模組化的交流訊號。

城市燈光在運動狀態下被看到有模糊不清的曝光照片

在1887年Westinghouse 早期的交流系統(美國專利373035)

高壓傳輸線用交流電可以將發電廠所產生的電能傳送到很遠的距離,照片中的電線是位在美國猶他州。
交流電壓的數學
交流電流往往伴隨著交流電壓,這個電壓可以用簡單的時間函數關係表示: 其中Vpeak是峰值電壓,單位是伏特 ω是角頻率,單位是弳/秒 t是時間,單位是秒 交流峰對峰電壓的值被定義為:正峰值與負峰值的差。因為sin(x)的最大值為+1,最小值為−1,因此交流電壓會界在+Vpeak 與−Vpeak之間,因此峰對峰電壓通常寫成Vpp 或 VP− P,因此Vpeak − ( − Vpeak) = 2Vpeak
交流電力供應頻率 電力系統的頻率在每個城市並不相同,大多數的頻率是50赫茲或60赫茲,有的國家提供50赫茲和60赫茲混合的電力,最有名的例子是日本。 低頻常用在低速電力系統,例如:起重機、在鐵路使用的整流器型的曳引馬達,在電燈中也會產生不可忽略的火花與引人注意的閃爍。在某些歐洲鐵路系統中16⅔赫茲仍被使用,例如:澳洲、德國、挪威、瑞典與瑞士低頻的使用也提供低電抗損耗的優點,因為電抗損耗正比於頻率。尼加拉瓜瀑布發電機原本是建成25 赫茲,這是界在曳引的低頻與高感應馬達之間的妥協結果,但仍可使用在電燈(雖然仍有引人注意的閃爍),在尼加拉瓜瀑布附近,大部分25 赫茲在居家與商業客戶在1950 年代轉變成60 赫茲,雖然在二十一世紀初期仍有些25 赫茲工業用戶存在。 近海地區、軍方、紡織工業、海軍、電腦維修、飛機與太空梭應用等領域,有時會使用400 赫茲,因為它可以降低儀器的重量或更高的馬達速度。

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Alternating_current

電動勢 (Electromotive Force)

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電動勢 (Electromotive Force)
國立台中第一高級中學台中一中 物理科張宇靖教老師、康宇玹教老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

電動勢(簡寫為emf)~~常以希臘字母ε(讀作ep’selon)表示。一個帶電物體的電動勢是將一個單位電荷從無限遠移動到此物體所需要做的功(單位:焦耳)。在一個裝置中,如果電荷Q通過這個裝置,獲得能量U,則這個裝置的電動勢是每單位電荷所獲得的能量=U / Q。單位為伏特(V) 或 牛頓米 / 庫侖(N-m / C)。

※電池的電動勢:
單位正電荷從電池負極進入電池內部時,因化學作用,使電荷獲得電能。當此電荷從電池正極流出時,其電能增加(此時電池的化學能減少)。就單位正電荷而言,它的電位升高了。此升高之電位差即電池的電動勢。
1. 定義:單位電荷通過電池內電路時,電池對其所供給的能量。
2. 公式:設帶電量q的正電荷由電池的負極經內電路移至正極時,其獲得電能U,則此電池的電動勢ε=U/q
3. 決定電池電動勢之因素:(1)兩電極所用之材料;(2)電解液之種類;(3)電解液的濃度與溫度。 繼續閱讀 »

電流 (Electric Current)

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電流 (Electric Current)
國立台中第一高級中學台中一中 物理科張宇靖教老師、康宇玹教老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

電流的方向指的是正電荷的流動方向,由高電位流向低電位,亦即由電池的正極經外電路再流回電池的負極。此概念是一種以水的流動為比擬的假說,後雖經證實電流 在導體中並不存在,但此概念在科學界引用成習慣,故仍延用至今。事實上電流為離子、電子或電洞(空穴)等荷電粒子的運動。許多文獻中取電路內正電荷流動的方向為電流方向,與電子實際流動方向相反。 繼續閱讀 »