《基本电学》PPT课件(I)

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1、基本電學工業工程與管理系管志宏電的本性電學的知識，起源於觀察，早在公元前600年希臘人便觀察到摩擦起電的現象，以一塊布摩擦琥珀時會使琥珀產生可吸引諸如羽毛輕小物體的電性吸引力。1734年，杜菲（Charles,DuFay,1698~1739）觀察到必定有兩類「電的物體」，同類的「物體」會產生彼此抗拒的力量，反之則會產生彼此相吸的力量。1750年，富蘭克林（B.Franklin,1706~1790）以廣泛的基礎實驗建立單流體理論以取代杜菲的二流體理論，他相信物體含有過多的電流體時，物體則表現出帶「正電荷」。電的本性（續）電荷守恆定律：皮膚摩玻璃，皮膚與玻璃接觸的結果是「電子

2、」從玻璃流到皮膚，使皮膚含有多餘電子而帶負電，玻璃則因轉移出電子而帶正電，在此過程中，電荷既不會被創造出來，也不能無故消失，只能作重新分佈。感應起電：將一帶電荷的帶電體接近另一不帶電的導體，在未帶電之導體兩端會產生等量但相異的電荷的現象。電的本性（續）以e表示電荷的基本單位，一個電子所帶電荷為-e，質子所帶電荷為+e，電荷的單位稱為庫倫（c）由實驗可知，1庫倫（c）=(6.24*1018）e，因此，一個基本電荷的電量為1.6*10-19庫倫。電荷的量子化：電子是自然界中具有最小電量的帶電物，任一帶電體的電荷（q）均可表示為q=±ne，n表示電子數目。即帶電體電量發生變化時

3、，只能按e的整數倍表示，不能作任意的連續變化。電的本性（續）物質是由原子和分子組成，原子是由原子核和核外的電子組成，原子核則是由中子與質子組成。在正常的情況下，原子必含有等量的正電荷與負電荷為電中性，原子中的電子帶負電荷，原子核中質子帶正電荷。而中子則不帶電，電子與質子的電荷量絕對值必相等。質子的質量為1.67*10-27kg電子的質量為9.11*10-31kg導體、半導體與非導體某些材料在與帶電體接觸後，如果能夠把獲得之電荷迅速傳遞至整個材料表面而成為新的帶電體，此類材料稱為「導體」。例如金屬、人體。相反的，電荷無法在物體表面自由移動的材料稱為「絕緣體」。導電性質介於導

4、體與絕緣體之間的物質稱為半導體，元素中鍺與是現今熟知的「半導體」材料。在極低溫狀態時，部份物質的電阻會降低至零，此類物質稱為「超導體」。帶電體間之作用力：庫倫定律一般當我們研究的帶電體之間的距離遠大於它們本身的大小時，可把帶電體視為「點電荷」。1785年，庫倫（C.Coulomb,1736~1806）提出了兩靜止點電荷間相互作用的基礎定律：1、在真空中兩個靜止點電荷間，作用力的方向是沿著它們的連線，同性電荷為相斥力，異性電荷為相吸力。2、兩個靜止電荷間，作用力的大小F與兩靜止點電荷所帶的電量q及q‘的乘積成正比，和它們之間的距離r的平方成反比，即F=k

5、g

6、

7、g'

8、/r2

9、上式中的k為實驗得到的常數，稱為庫侖常數，其值為k=8.99*109N-m2/C2電場強度與電力線電場的概念實際是庫侖定律的延伸。一個電荷所受的作用力，可被認為是受到另一電荷產生的電場所造成。在空間中某一點的電場E的定義為該點的每單位正電荷q‘（又稱為測試電荷）所受之作用力F，即E=F/q’上式說明電場為一向量場，單位為N/C電場強度與電力線（續）真空中某點的電場強度大小E與電荷q的電量成正比，與點電荷q到該點距離的平方或反比，而與測試電荷無關。E=k

10、q

11、/r2在電場中，空間的每一點電場都有一定的方向，所以我們可以利用曲線來描述電場，使在曲線上每一點的切線方向都和該點的

12、電場一致，此類曲線稱為電力線。電場強度與電力線（續）電場的大小亦可以電力線表示，但因電力線為一連續曲線，故無法以其長度表示電場大小，而以曲線的疏密表示電場的強度，電場E的大小正比於該曲面（垂直於電力線）單位面積A┴所通過的電力線數目n，即E正比於n/A┴n=CEA┴其中C為一比例常數，於繪圖時依所需選用。以點電荷為球心，取半徑r的球面，可得電力線的數目為N=CEA┴=C（kq/r2）（4πr2）=4πkqC電位與等位面「庫侖力」與重力一樣有相同數學形式同為保守力，而任何靜電力可視為「庫侖力」的總和，故靜電力為一保守力。這意味著任一電場中的電荷均具有“電位能“UE，電位能如

13、力學能一般可轉換為另一型式的能量，像是霓虹燈的光與熱。空間上任一點的電位V定義為在該點上一單位正電荷（測試電荷q’）所具有的電位能UE，即V=UE/q’電位的單位為焦耳/庫侖，為紀念伏特（AlessaudoVota）於1800年發明電池，定義電位的單位為伏特（以V表示）1V=1J/C電位定義為單位正電荷所具有之電位能。電位與等位面（續）重力場中位能的參考零位點是相對的，電位能的參考點也是相對的，僅有電位差在電位能中具有物理意義。重力場內質量m的物體由a移到b的過程中，重力對物體所做的功學WG=UG,a-UG,b=mg1/a-m