物理學習指南/電學理論

簡介

所有原子都由帶電粒子構成，稱為電子、中子和質子。每個原子的中心是一個由中子和質子組成的原子核，周圍圍繞著電子以圓形軌道執行。

帶電粒子

三種主要的亞原子粒子具有非常不同的性質，其中最重要的是

粒子	電荷	質量 (kg)
電子	負 (-)	9.11 x 10-31
質子	正 (+)	1.67 x 10-27
中子	零 (0)	1.67 x 10-27

電荷

大多數物體是電中性的，即它們的電荷總和等於零。然而，當物體失去或獲得電子時，它將分別變成帶正電或帶負電。

物體 + 電子 → 帶負電的物體

物體 - 電子 → 帶正電的物體

帶正電的物體具有電荷量 +Q，電場線向外輻射。帶負電的物體具有電荷量 -Q，電場線向內輻射。

同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，即帶負電的物體吸引帶正電的物體，反之亦然。

靜電/庫侖力

兩個靜止電荷之間的力稱為靜電力或庫侖力。

如果兩個電荷 Q₁ 和 Q₂ 相互距離 r，它們將相互作用產生一個力

$F=k_{e}{\frac {Q_{1}Q_{2}}{r^{2}}}$ ,

其中 k_e 是庫侖常數 (k_e = 8.99 × 10⁹ N m² C⁻²)。如果電荷符號相反，則電荷之間的相互作用力為吸引力；如果電荷符號相同，則為排斥力。

電荷產生的靜電力將作用於周圍的任何其他電荷，這種力在電荷周圍所有位置的強度和方向稱為電場 E。電場與力成正比

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

電動勢

當一個運動電荷穿過垂直於場線的磁場時，磁場的方向從左到右。磁場對電荷施加一個力，使其向上或向下運動。正電荷向上運動，負電荷向下運動。

$\mathbf {F_{B}} =Q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} )$

電磁力

對於運動電荷，靜電力和電動勢的總和給出了作用在電荷上的電磁力。

F_EB = Q E + Q V B = Q (E + V B)

靜電力是產生從左到右的電流的力。電動勢是產生垂直於靜電電流的電流的力。

電磁力產生從左到右的電場和垂直於電場的磁場。

電磁力可以透過電磁感應來實現，電磁感應是使用電來感應電流的過程。

電和導體

在所有導體中，電荷可以自由地向任何方向運動。如果存在一個電力

F_E = Q E

電力將在導體中施加一個壓力 F_E / A，迫使導體中的電荷以直線運動。這種作用產生沿直線運動的電荷電流。

電力的壓力稱為電壓，運動電荷的直線稱為電流。

如果電壓為 V，電流為 I，那麼電流與電壓的比率給出導體的電導，而電壓與電流的比率給出導體的電阻。

$G={\frac {I}{V}}$

$Z={\frac {V}{I}}$

因此，所有導體都具有電阻和電導

如果存在長度為 l 的直線導體，其表面積為 A，電導率為 ρ，那麼導體的電導

G = ρ ${\frac {l}{A}}$

根據以上,

$G={\frac {I}{V}}$ = ρ ${\frac {l}{A}}$

因此, 所有材料的電導率都可以透過以下公式計算

ρ = ${\frac {I}{V}}{\frac {A}{l}}$

電阻

如果存在一條直線導體, 如上所示, 每條導體都有一個電阻 R, 等於電壓與電流的比值.

$R={\frac {V}{I}}$

$I_{R}={\frac {V}{R}}$

一條直線導體具有降低電流的能力。這可以在電路中用來降低電流。在電路中，直線導體的符號是 --^^^--，其電阻 R 單位為歐姆 Ώ，稱為電阻。

電阻可以串聯或並聯連線，以增加或降低總電阻。

如果 n 個電阻串聯連線，則總電阻為

$R_{t}=R_{1}+R_{2}+...+R_{n}$

如果 n 個電阻並聯連線，則總電阻為

${\frac {1}{R_{t}}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+...+{\frac {1}{R_{n}}}$