實用電子學/基礎理論

靜電荷

靜電是指積累在絕緣材料上的靜止電荷。

電荷

通常情況下，所有物質都是中性的，或者它們的淨電荷為零。當一個物體失去或獲得一個電子時，該物體將變得帶正電或帶負電。

$Matter+e\to -$

$Matter-e\to +$

所有電荷都具有一定的電荷量，稱為電荷量，用 Q 表示，單位為庫侖 (C)。一個電場由電場線組成，向外或向內輻射。對於負電荷，電場線向內輻射，而對於正電荷，電場線向外輻射。電場用 E 表示，單位為 N/C。

負電荷，$-Q=\longrightarrow -Charge\longleftarrow$

正電荷，$+Q=\longleftarrow +Charge\longrightarrow$

電荷根據庫侖定律相互作用。

同種電荷互相排斥。異種電荷互相吸引，即負電荷吸引正電荷

電

電荷之間的相互作用會導致電荷之間產生排斥力或吸引力。這種排斥力或吸引力導致了電。

靜電力

靜電力或庫侖力是兩個異種電荷之間的吸引力。對於兩個位於平面上一條直線上的不同極性的靜止點電荷。這兩個點電荷之間的吸引力可以用庫侖定律計算。

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

F，靜電力

k，吸引常數

r，間距

電動力

電動力由電勢產生

電荷與電力

如果存在一個電力使靜止電荷做直線運動，從而導致電荷流動，稱為電流，那麼可以使用安培定律計算電場。

F = E Q

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

$I={\frac {Q}{t}}$

電荷與磁力

如果存在一個磁力可以改變運動電荷的方向，使其垂直於運動電荷的初始方向，使得正電荷垂直向上移動，而負電荷垂直向下移動，則可以使用洛倫茲定律計算磁場。

F = B v Q

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

電磁力

作用在運動電荷上的總力是安培定律計算出的電力與洛倫茲定律計算出的磁力的總和。安培力與洛倫茲力的總和稱為電磁力。

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

物質和電力

與電力相互作用的物質分為三類：導體、非導體、半導體，這取決於電流在物質中流動的難易程度。

• 導體

所有允許電流輕鬆流動的物質都被稱為導體。例如，所有金屬，如鋅 (Zn)、銅 (Cu) 都被用來製造導體。

• 非導體

所有不允許電流流過的物質被稱為非導體。例如，橡膠。

• 半導體

所有允許電流流過導體和非導體之間的物質被稱為半導體。例如，矽 (Si)、鍺 (Ge)。

導體和電力

當將導體與封閉迴路中的電力源連線起來時，電力的作用力會施加壓力，使導體中的電荷以直線運動。電力的壓力被稱為電壓，用 V 表示，單位為伏特 (v)。電荷在導體中的直線運動被稱為電流，用 I 表示，單位為安培 (A)。

電壓

電壓定義為使導體中電荷沿直線運動的電力勢差，並透過電荷所做的功與電荷的比值計算得出。勢差越大，電荷的流動量就越大。它出現在電路中的一對點之間，例如電池的兩端。

電壓用 V 表示，單位為伏特 (V)，公式如下所示：

$V={\frac {W}{Q}}$，其中$Voltage={\frac {Joule}{Charge}}$

電流

電流定義為一定時間內流過導體某一截面的電荷流動速率，並透過電荷流動速率與時間的比值計算得出。電流用 I 表示，單位為安培 (A)，公式如下所示：

$I={\frac {Q}{t}}$，其中$Ampere={\frac {Charge}{Time}}$

功率

功率定義為功與時間的比值，並透過電壓和電流的乘積計算得出。功率用 P 表示，單位為瓦特或伏安 (VA)，公式如下所示：

$P=VI={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}={\frac {W}{t}}=E$，其中$Watt=Voltage*Ampere$

電阻

電阻定義為導體上的電壓除以流過的電流，並透過電壓除以電流計算得出。它也是導體的一種屬性，當電流透過時，它會阻礙電流的透過，從而導致電能轉化為熱能。
電阻用 Ω 表示，單位為歐姆 Ω，公式如下所示：
$R={\frac {V}{I}}$，其中$Resistance={\frac {Voltage}{Ampere}}$

電阻與溫度

觀察發現，導體的電阻會隨著溫度的變化而改變
$R2=R1*[\alpha 1+(T2-T1)]$ 其中
R1 = 導體在溫度 T1 時的電阻
R2 = 導體在溫度 T2 時的電阻
α1 = 材料的溫度係數
T1 = 指定 α1 的參考溫度
T2 = 導體的當前溫度

電阻與電能損耗

此外，當電阻為 R 的導體通電時，導體會向周圍環境釋放熱能，導致電能損耗，而電能損耗與導體的電阻成正比

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

沒有能量損耗時，供電功率為 P_i

$P_{i}=VI$

有能量損耗 P_R，稱為功率損耗或耗散功率

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

實際供電功率為

$P_{o}=P-P_{R}$

$P_{o}=VI-I^{2}R=I(V-IR)$

$P_{o}=VI-{\frac {V^{2}}{R}}=V(I-{\frac {V}{R}})$

功率傳輸效率可以計算為實際功率佔供電功率的百分比

$n={\frac {P_{o}}{P_{i}}}$

$n={\frac {P_{i}Cos\Theta }{P_{i}}}=Cos\Theta$

$n={\frac {V-IR}{V}}$

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

電導

電導定義為電流與電壓之比。電導用 Y 表示，單位為西門子 (S)，即 1 / Ω

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

1S = 1A / 1V