物理課程/電學

帶電粒子

帶電粒子是構成物質原子中最小的不可分割的帶電粒子。帶電粒子有三種，分別是電子、質子和中子。

帶電粒子	質量	電荷	符號
電子	9.1094 × 10−31 kg	−1.602 × 10−19 C	e-
質子	9.1094 × 10−31 kg	+1.602 × 10−19 C	p+
中子	1.6726 ×10-27 kg	0 C	p0

原子模型

1. 所有物質都具有質量和體積，存在於三種狀態：固體、液體、氣體。
2. 所有物質都由化學元素的原子構成。
3. 原子由帶電粒子構成。
4. 原子有一個原子核，原子核由質子和中子組成，電子在圍繞原子核的圓形軌道上執行。
5. 只有最外層軌道的電子能夠參與電反應。
6. 最外層軌道的電子具有最高的勢能（靜止）和最低的動能。
7. 每個電子軌道或電子層都有一個量子能級，一個不同的能級。
8. 有四個這樣的電子層，它們具有能量量子。
9. 當電子從低能級躍遷到高能級時，會發射光。

電荷

通常，所有物體都具有零淨電荷。當物體獲得或失去電子時，它將變為正電荷或負電荷。

物體 + e^- = 正電荷

物體 - e^- = 負電荷

所有電荷都具有以下特性：電場、磁場和電荷。

電荷	電場線	磁場線	電荷量
負電荷	-Q	指向	順時針方向
正電荷	+Q	指向外	逆時針方向

電

當電荷相互作用時，就會產生電流。電荷的相互作用產生電流的方式有兩種：

1. 兩種不同電荷的吸引。 - <-- + . + --> -
2. 電荷量差異。 ++++ --> ++

第一種被稱為動能，第二種被稱為勢能

電磁力

靜電力

如果有兩個異種電荷位於同一平面上的彼此附近。負電荷對正電荷的吸引力可以透過庫侖定律計算

$F=k{\frac {Q_{+}Q_{-}}{r^{2}}}$

電力

如果有一種電力使靜止電荷沿直線運動，那麼這種電力被稱為電動勢，可以透過安培定律計算

$F_{E}=EQ$

如果有一種磁力使移動電荷沿垂直於初始方向的直線運動，那麼這種磁力被稱為電磁動勢，可以透過洛倫茲定律計算

$F_{E}=BvQ$

電磁力

安培定律和洛倫茲定律對移動電荷的總和被稱為電磁力，可以透過以下公式計算：

$F_{E}B=F_{E}+F_{B}=Q(E+vB)$

物質和電

所有與電相互作用的物質都分為三類

• 導體。所有允許電流輕鬆流過的物質。例如銅 (Cu)、鐵磁體 (Fe)、鋅 (Zn)
• 非導體。所有不允許電流流過的物質。例如木頭、橡膠
• 半導體。所有允許電流在導體和非導體之間有一定程度流通的物質。例如銅 (Cu)、鐵磁體 (Fe)、鋅 (Zn)

導體和電

當導體連線到電源時。電源會施加壓力，迫使電荷沿直線移動。電源的壓力稱為電壓，用 V 表示，以伏特 (v) 為單位。電荷沿直線流動的現象稱為電流，用 I 表示，以安培 (A) 為單位。

電氣特性	定義	符號	公式	單位
電壓	迫使電荷沿直線移動的電勢差	V	$V={\frac {W}{Q}}$	V
電流	電荷沿直線流動的現象	I	$I={\frac {Q}{t}}$	A
電阻	電壓與電流之比	R	$R={\frac {V}{I}}$	Ω
電導	電流與電壓之比	G	$G={\frac {I}{V}}$	電導
電源	電壓和電流的乘積	PV	$P=VI=({\frac {W}{Q}}$) (${\frac {Q}{t}})={\frac {W}{t}}$	焦耳
功率損耗	電力在轉換為熱能過程中的損失	PR	$P_{R}=V_{R}I_{R}$ $P_{R}=I_{R}^{2}R$ $P_{R}={\frac {V_{R}^{2}}{R}}$	焦耳
傳輸功率	電源功率與功率損耗的差值	P	$P=P_{V}-P_{R}$ $P=VI-I^{2}R$ $P=I(V-IR)$	焦耳
功率效率	功率效率用於衡量傳輸功率相對於電源功率的效率	n	$n={\frac {P}{P_{V}}}$ $n={\frac {PCos\Theta }{P}}=Cos\Theta$ $n={\frac {V-IR}{I}}$ $n={\frac {I-{\frac {R}{R}}}{I}}$

導體的電阻和熱量散失

每個導體在傳輸電流時都會將熱能釋放到周圍環境中，其計算公式為

$P_{R}=V_{R}I_{R}=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}$

導體的電阻和溫度

任何導體的電阻都會隨著溫度的升高而增加

物質	導體	半導體
電阻	$R=R_{0}(1+\alpha T)$	$R=R_{0}e^{(}\alpha T)$

黑體輻射

每個導體在傳導電流時都會表現出*溫度變化*並向周圍釋放輻射熱能。這被稱為黑體輻射。*黑體輻射的輻射熱能是一種具有波粒二象性的波。有時它表現為波，有時它表現為粒子*

頻率	速度	波長	能量
f < fo	v = λ f	$\lambda ={\frac {v}{f}}$	E = m v2
f = fo	v = c	$\lambda ={\frac {c}{f_{o}}}$	E = h fo
f > fo	v = c	$\lambda ={\frac {c}{nf_{o}}}$	E = h nfo

光電效應

當光照射在物質上時，會使物質表面的電子逸出成為自由電子，並改變物質的導電性。這被稱為光電效應

在光電效應中，當光照射在物質上時，物質會吸收光的熱能，直到達到其最大吸收能力，然後任何多餘的能量都被用來使物質表面的電子逸出。

光能 = 熱吸收 + 逸出電子所需的能量

hf = hfo + ½ m v²

為了產生自由電子

hf > hfo 對於 v > 0

f > fo

光電效應只發生在光頻率 f 大於物質的閾值頻率 fo 時

具有這種特性的光包括

1. 陽光
2. 黑體輻射的輻射光
3. 放射性輻射的電磁光，如以光速傳播的α、β和γ粒子流

電磁

電磁鐵

電磁現象存在於由直線導體組成的多個匝的電流導體線圈中。當沒有電流時，線圈不會有任何作用。當有電流時，線圈會產生磁場，就像磁鐵的磁場一樣。因此，*電流導體線圈被稱為電磁鐵*。*電磁鐵有兩個極，即北極和南極，對應於電流的極性。*北極是正極，南極是負極。*電磁鐵有一個磁場，由從北極到南極的磁力線組成*

當線圈導電時，它會產生磁場，由以下公式計算：

B = L I

對上述等式求導

${\frac {dB}{dt}}={\frac {dLI}{dt}}=I{\frac {dL}{dt}}+L{\frac {dI}{dt}}=L{\frac {dI}{dt}}$ .

電流的變化會產生磁場變化，這會線上圈上產生電壓，該電壓具有與產生磁場的電流極性相同的極性

$V_{L}=L{\frac {dI}{dt}}={\frac {dB}{dt}}$

電磁感應

當線圈導電時，線圈會線上圈上產生磁場。反過來，這個磁場線上圈的匝數上產生磁場，稱為磁通量，用 Φ 表示，由以下公式計算：

Φ = B N

對上述等式求導

${\frac {d\phi }{dt}}={\frac {dNB}{dt}}=B{\frac {dN}{dt}}+N{\frac {dB}{dt}}=N{\frac {dB}{dt}}$

線圈上磁場的變化會產生線圈匝數上的磁通量變化，從而產生感應電壓，該電壓具有與產生磁場的電流極性相反的極性

-ξ = $N{\frac {dB}{dt}}={\frac {d\phi }{dt}}$

永久電磁鐵

永久電磁鐵可以透過將一個磁性導體物體完全放置在電磁鐵線圈的匝數內來製成。當斷開電流或將物體從電磁鐵線圈中取出時，永久電磁鐵仍然具有其磁場。因此，該物體被稱為永久電磁鐵

總結

1. 當直線導體多個匝的線圈導電時，線圈會產生磁場
2. 電流的變化會產生磁場變化和電壓，該電壓具有與產生磁場的電流相同的極性
3. 線圈匝數上磁場的變化會產生感應電壓，該電壓具有與產生磁場的電流極性相反的極性

電磁波

電磁波是由兩個相互垂直的波，即電波和磁波組成的波。

當有電場使靜止電子進行直線運動時，該力被稱為安培力，由以下公式計算：

F = E Q .

安培力會產生電場 E

$E={\frac {F}{Q}}$

當磁力使運動中的電子沿垂直於其初始運動方向的直線運動時，這種力被稱為洛倫茲力。

F = B Q v .

洛倫茲力會產生磁場。

$B={\frac {F}{Qv}}$

安培力和洛倫茲力疊加後會產生電磁力，該力包含兩個垂直的場：電場和磁場。

F = E Q + B Q v = Q (E + B v)

1. 一般來說，當存在運動的電子和磁場變化時，就會產生電磁波。
2. 所有電磁波在空間中以光速傳播。 V = C = λ f
3. 由於所有電磁波的傳播速度都等於光速，因此只要知道其中一個引數，就可以計算出另一個引數。

$\lambda ={\frac {C}{f}}$

$f={\frac {C}{\lambda }}$

參考資料

• []