电学原理3—电的应用

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1、焦耳热

在电阻中因电流流动所产生的热称为焦耳热。例如，在电阻R中，电流I在t秒时间流动，所产生的热量可以用来求出，符号为Q，单位为J (焦耳)。此外，1J相当于消耗功率1 W·s。焦耳是以英国物理学家焦耳(James Prescott Joule)的名字命名的。在一个大气压下，要将1克的纯水，从14.5 ℃提升至15.5 ℃，每升高1 ℃所需要的热量约为4.2J，即相当于1cal(卡)。

电阻和焦耳热

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2、热振动

热究竟是什么？如下图所示，构成物质的原子经常性地振动，这就是热振动(Hest shock)。热振动的大小即为温度的高低，而热振动所具备的能量即为热的真实面貌。若原子没有热振动，则此物体的温度会变得相当低。此时的温度就称为绝对零度，相当于-273.15 ℃。

热振动和温度

用作电线材料的铜线也具有很小的电阻。即使在常温下，原子的振动也会妨碍电子的移动，这就是电阻。将铜线的温度降至绝对零度后，铜的原子就会变为静止状态，因为电子不会和铜的原子碰撞从而可以顺畅地移动。此时，电阻变为零，这种现象称为超导现象。

超导和电流

若电线的电阻为零，则因电流流动产生的焦耳热的损失就会消失。然而，实际上物质的温度不可能下降至绝对零度，因此目前针对在高于绝对零度的温度之下，所引起的高温超导现象的相关研究正在进行中。

电流在铜线中流动时，电子和铜原子产生激烈碰撞，从而使振动更为增大。因此产生热量。此外，由于原子振动变大，电子也变得无法顺畅地移动。换句话说，也就是电阻会增加。金属的温度一旦上升，电阻也会跟着增加。反之，当温度下降时，电阻便会随之减小。

电子的碰撞和热的产生

3、电磁波

电流在电阻中流动，使温度上升而发热。最初会放射出肉眼看不见的红外线。红外线又称为热线，具备热能，为电磁波的一种。电磁波的波长较长，其中包含电波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。电波可用于电视或广播及船舶通信等领域，由于可见光涵盖了波长较长的红色至波长较短的紫色，因此依波长不同，颜色随之发生变化。

电磁波的波长和分类

由物质放射出红外线，当温度再提高时，则会放射出可见光。这种当物质温度上升，热能以电磁波的形态被放射出来的现象称为温度辐射，被应用在白炽灯泡等的发光原理上。温度辐射在低温时放出红光，一旦温度上升，则变为蓝白光。

由温度辐射所引起的发光几乎都会转化为热能，因此，若当作照明使用则效率较差。另一方面，温度辐射以外的发光称为冷光，是不会产生热量的光。因此，冷光便应用在日光灯的发光领域。日光灯由灯丝(Filament)散发出的电子和日光灯管内的水银原子相互碰撞，此时产生的紫外线激起日光灯管内侧的荧光物质，从而产生可见光。日光灯的发光效率很好，相同的耗电量即可放射出白炽灯泡4倍以上的光。

白光灯泡与日光灯的发光

如上所述，发光现象中有温度辐射及冷光两种。

4、电和磁

这是将铁砂洒在放置于纸上的磁铁棒后，所产生的线状图形。将此假设为由磁极发生的线，称为磁力线。磁力线为固定由N极流向S极的线。

磁铁和磁力线

磁力线在电流流动时也会发生。这在电的应用上是非常重要的现象，我们所使用的许多电器产品都是利用这个现象工作的。

电流在电线中流动时，会产生相对于行进方向右旋转的磁力线。这就称为安培右手螺旋定则。此磁力线随电流的强弱不同，而发生大小变化，而电流的方向一旦改变，磁力线的方向也会随之改变。

安培右手螺旋定则

在两根电线并列的情况下，若有同方向大小的电流流动，则各自产生的磁力线会合在一起，并在2个导体的周围产生相当于两根电线电流量的磁力线。此时，2根电线间便会产生引力。接下来，若电流的方向相反，则两根电线间便会产生相斥力。此时，电线周围的磁力线会互相抵消而变小。

在两根导线间流动的电流和力

5、弗莱明左手法则与电动机

使电流在磁力线中的导体中流动，导体会产生电磁力。此时，弗莱明左手法则可简易地表示磁力线、电流及力的运动方向之间的关系。此法则为：左手的大拇指、食指及中指呈弯曲且互为直角，将食指视为磁力线的方向，将中指视为电流的方向，而导体的运动方向(电磁力的方向)则为大拇指所示的方向。这是以英国的电工学家弗莱明(John Ambrose Fleming)的名字命名的。电动机的运动方向即依照弗莱明左手法则运转。

弗莱明左手法则

电动机的运转

6、弗莱明右手法则与发电机

发电机所产生的电力的方向，可以由弗莱明右手法则得知。如下图所示，导体运转于磁铁之间时，由于磁铁N极至S极的磁力线会横切过导体，导体便会产生电动势而使电流流动。此时，弗莱明右手法则可以简易地表示磁力线、导体的运动方向及电流的流向三者之间的关系。右手的大拇指、食指及中指互相弯曲成直角，若设食指为磁力线的方向，导体的运动方向为大拇指的方向，则中指的方向即为电流的方向。

弗莱明右手法则

发电机产生的电

7、电和线圈

线圈由电线卷成。如下图所示，电流在线圈流动时，会产生通过线圈内侧的磁力线。在此加入铁心后，磁力线会更加集中而变成强力的电磁铁。电磁铁的强度和电流及线圈的乘积成正比，若将电流流向颠倒，则电磁石的极性也会相反。此外，若电线断电，则铁心的磁力就会消失。

线圈所产上的磁力线

8、线圈和电磁感应

只要磁铁开始运动，线圈中就会产生电流。若改变磁铁运动方向，则电流的方向也会改变。这类现象称为电磁感应(Electromagnetic Induction)，而此时产生的电称为感应电动势。而此电流称为感应电流。

电磁感应

“由电磁感应所产生的电流，其产生的磁力线会妨碍磁铁的运动。”这称为“楞次定律”(Lentz’s Law)，是由俄罗斯物理学家楞次(Heinrich Friedrich Emil Lentz)发现的。

9、线圈和自感应

将线圈接上电池，使电流流动后，会产生磁力线而变为电磁铁，但电流开始流动时，会产生磁力线且磁力线还会变大。此时，变化的磁力线会使线圈本身产生感应电动势。这就称为自感应(Self-induction)。

切断线圈的电流后，磁力线也会因电流消失而产生变化，进而引发感应电动势。感应电动势的方向为妨碍在线圈内流动的电流方向，因此又称为反电动势(BackElectro Motive Force)。一般反电动势可简易地确认。将线圈接上电池，待电流流动后，即会产生磁力线。电流固定时虽不会产生反电动势，但取下电池切断电流后，因为所产生的磁力线会变小而产生变化。此时线圈的两端会因反电动势而产生电压。

线圈的自感应

交流电的大小经常在变化。交流电在线圈内流动时，线圈上会产生妨碍电流流动方向的感应电动势，使得电流会因电源电压的变化而滞后(延后)四分之一个周期流动。这就称为滞后电流(Lagging Current)。配有线圈的马达等电器产品中通常会有滞后电流流动。此外，像这样产生的时间差，就称为相位差(PhaseDifference)。以上的情形，线圈会对交流电形成电阻，这就称为感抗(InductiveReactance)，其大小和频率成正比。

流于线圈的滞后电流

消耗功率用电压及电流的乘积来表示，当电压和电流在波动时间上一致时，电力可执行100%的工作。这就称为“功率因数(Power Factor)为100%”。若电流滞后且功率低于100%，则可以称为“功率因数较差”。

若功率因数差，由于电源输入的电力无法执行100%的工作，因此需要更大容量的电源。另外，消耗功率和输入电力的比例即为功率因数。

功率因数差是指由于电流未执行工作即回到电源的情况。

10、线圈和变压器

变压器为可以借由电磁感应改变交流电压的装置，英文为Transformer。

线圈1与交流电源相连后会产生磁力线。此磁力线在线圈2中产生变化时，会在线圈2中产生感应电动势。此现象就称为互感应(Mutual Induction)。变压器就是利用这一现象来改变电压的电器。

互感应和变压器

在铁心上缠上两个线圈，将线圈1与交流电源相连后，产生磁力线通过铁心。由于线圈2也同样卷在铁心上，因此线圈2的磁力线也会发生变化，而于线圈2产生感应电动势。

变压器的电源侧称为一次侧，负载侧称为二次侧。在二次侧产生的电压是以一次侧线圈圈数n1和二次侧线圈圈数n2的圈数比来决定的。例如，当二次侧线圈圈数为一次侧的两倍时，则二次侧会产生两倍的电压。此时，在二次侧线圈流动的电流是在一次侧线圈流动电流的一半。

一次侧的电压V1和二次侧电压V2的比称为变压比，一次侧的电压和电流的乘积与二次侧的电压和电流的乘积相等。换句话说，变压器是不会改变电力大小，而仅改变电压的电器产品。

11、变压器的损耗

实际情况下，变压过程会因铁心或铜线产生铁损(Iron Loss)或铜损(CopperLoss)，而使得二次侧的电力变小。

铁损是指铁心内磁力线改变时，就会有如下图所示的涡电流(Eddy Current)流动而造成的涡流损耗(Eddy Current Loss)，以及磁分子相互摩擦所造成的磁滞损耗(Hysteresis Loss)两者加总所得，又可称为空载损耗(No Load Loss)。为了防止涡电流的产生，一般会在铁心间层层加入电气绝缘的薄矽铁片的层叠铁心。

产生于铁心的涡电流

铜损是因电流流于线圈内，因电阻而产生的焦耳热造成的损失，也可以称为负载损耗(Load Loss)。

12、电容器是什么

如下图所示，以2片金属板包夹绝缘体，再接上干电池时，电子会由干电池的负极移动到下侧的金属板而带电。此时，由于上侧的金属板的电子朝向干电池的正极移动，因此上侧的金属板会带正电。此时，金属板呈现储存电荷的状态。这种储存电荷的物体称为电容器(Condenser)，而将电荷储存在金属板的过程就称为充电。

电容器

直到电荷被储存，且电子的移动停止之前，电流会流动一下子。亦即，将电容器与直流电源相接后，电流只会在最开始时流动，随后便会停止。在此状态下取下干电池的话，金属板就会维持储存电荷的状态。而若将干电池反向连接，则会造成被储存的电荷流失，即放电，从而使电容器以反方向被充电。

像这样，电容器可储存电荷的能力称为静电容量(Electrostatic Capacity)，而其大小和金属板的面积成正比，和金属板之间的距离成反比。

13、电容器和电流

对电容器施加交流电电压时，充电电流会流动直到电源电压从0 V增至最大为止，当电源电压为最大值时，电流会变为0。电源电压由最大值开始下降后，就会开始放电，当电源电压为0 V时，放电电流最大。自此，电源电压的极性改变，而充电电流再度开始流动，当电源电压大到反极性的最大值时，充电就会停止，然后再开始放电。

就像这样，将交流电源与电容器连接到一起时，因电源电压的变化，使得电流的变化会快四分之一个周期，这就称为超前电流(Leading Current)。

电容器的超前电流

此外，电容器会对交流电产生电阻般妨碍的作用。这就称为容抗(CapacitiveReactance)，其大小和频率成反比。

若交流电路中有线圈，则电流会变慢，而使功率因数变差。然而若与电容器相接，则电流会超前，使功率因数变佳。

交流电路中，除电阻之外，电容器和线圈也有如电阻般的妨碍作用，这就称为阻抗(Impedance)。