基本电学(上)第四章.ppt

1、0,基本電學與實習,Chapter 4 Week 5-6曾建勳,1,利用一類似歐姆觀念的電路，從實驗中(圖 4-1) 電路得知： 一電阻電路中的電流與其所受電壓成正比，且與其電阻成反 比。以公式表示即是歐姆定律(理) (Ohms law): 其中E是電壓，以伏特 (V) 為單位。R是電阻，以歐姆 () 為單位。I 是電流，以安培 (A) 為單位。,圖 4-1 說明歐姆定律的電路,歐姆定律,2,歐姆定律,3,歐姆定律,4,例題4-1 一27 電阻被接於一 12 V 的電池，電流為何？解：將電阻與電壓值代入歐姆定律即得,歐姆定律,例題4-2 圖 4-4 所繪燈泡當接到 6 V 電池時，電流 25

2、mA，其電阻為何？,5,例題4-3 假如有一電流流經125A的色碼紅，紅，黃的電阻，則電阻所受的電壓為多少？ 解：由表3-5的電阻色碼與歐姆定理：,歐姆定律,例題4-4 有一色碼為棕、紅、黃的電阻，接於一 30 V 的電源，I為何？解：使用表3-5的電阻色碼， ，因此,6,歐姆定律-圖繪,7,歐姆定律-開路,8,歐姆定律-電壓符號,9,例題4-5 圖4-9所示電路的每一個電阻流過電流 0.5 A，求其 V1與 V2 。解: 因電阻串聯所以電流一樣(固定),圖4-9歐姆定律應用於每一個電阻,歐姆定律,10,電流方向與電壓極性有一個簡單的關係，如圖 4-10。在 (a)， 因為電阻直接連接到電源，

3、所以 V 的極性很明顯。這使得電 阻的上端相對於下端為正，且如電表所示 V = E = 12V。電流的方向由上而下經過電阻，以箭號當做指示電流的方向電壓極性的訂定: 將電壓的+極置於電流方向箭號的尾端。,電壓極性與電流方向,11,電流方向,12,圖 4-12能量的轉換，功率為 P額定的轉換能量,功率 (power) :例子:電熱器與燈泡以瓦特 (W) 來做額定，而馬達以馬力 (horse power) ( 或瓦特 ) 來做額定。關係: 額定功率越高，則單位時間所需的功率越大。在圖 4-12(a) 圖裡，燈泡的額定功率越大，每秒產生的光能量越高。 在 (b) 圖裡，加熱線圈的額定功率越大，每秒產

4、生的熱能量 越高。在 (c) 圖裡，馬達的額定功率越大，每秒產生的機械功越高。,功率,13,功率與能量有關，也就是做功的能力或比率相等於能量的轉換率。因此 P，定義為1. 時間 t 為一段時間之間隔，而非一瞬時點的時間。2. 能量的符號為 W，以瓦特的縮寫(abbreviation)W。在此 W 是功，單位為焦耳；t 是所需的時間，以秒為單位。功率的 SI 制單位為瓦特。由公式 (4-7) 可知 P的單位亦為焦耳 /秒。即一瓦特等於一焦耳 / 秒。,功率,14,第二章電壓定義為單位電荷的功，而電流定義為電荷的傳輸速率。亦即與得到電功率 P = W/t = (QV)/t =V(Q/t)對於電源而

5、言附加的關係式可得到：與,電子系統的功率,15,電子系統的功率,16,電子系統的功率,17,例題4-8 若圖 4-14(c) 的馬達由 120 V 電源產生 6 A 電流。a.以瓦特計算輸入的功率。b.假設馬達的效率為 100% ( 即所有電的功率轉換為機械的功率 )，以馬力來計算功率。(參考表1-4)解：,電子系統的功率,18,功率傳輸方向的訂定,19,功率傳輸方向的訂定,20,功率傳輸方向的訂定,21,定義了功率做功的比例，得到能量的功是: t是以秒來計算，W的單位則為瓦特-秒(或稱焦耳，J)。 t是用小時來計算，W的單位則為瓦特小時(Wh)。例如:使用了一個100W 的光源一個小時，此能

6、量的消耗 為W = Pt = (100W)(1h) = 100Wh 使用一個 1 500W的電熱器12個小時，此能量的消耗為 W = (1500W)(12h) = 18 000Wh。可寫為W=18kWh 千瓦小時 (kilowatt hours, kWh),能量,22,能量,例題4-11 假設下列用電：一電熱器1.5kW使用 7 1/2 小時；一電烤肉器3.6kW使用17分鐘；100瓦的燈泡3個使用4小時；與一電烤麵包機900-瓦使用6分鐘。每仟瓦/小時為0.6元，問價格共為多少元？ 解：,23,在現實中，我們使用瓦特表來量測能量。構造: 電機機械的表，它們內部有個小電 子馬達，這個馬達轉的速

7、度與負載的功率成正比。此馬達 經齒輪來驅動一個刻度轉盤(如圖4-17)。因為刻度盤旋轉的 角度跟旋轉的速度(也就是功率損耗的速度。)以及能量損耗 的時間有關，此刻度即顯示了我們所使用的能量。電子機械表為一電子式能量表，它使用電子方式量測能量 並用數位方式顯示量測結果。,瓦特時表,24,能量守恆定律宣告了能量不是被創造就是被損耗。但是此損耗 是從一方轉移到另一方。例子: 電能經由電阻轉成熱能以及電能經由馬達轉成機械能。 事實上，數種不同的形式的能量都可能同時產生效率。 e.g.電能經由馬達而轉成機械能，然而在這轉換的過程中， 也同時產生一些熱能。這個就是轉換的”效率” 。,能量守恆定律,25,用

8、功率來表示, i.e., 定義為其輸出功率Pout以及輸入功率的Pin比 例。而它通常使用一個希臘字母(eta)來表示效率用能量來表示則為: Note: 不好的轉換效率將會造成能量的浪費以及較高的成本。,效率,26,因為 ， 效率也可以表示為：儀器或者機械的效率變化得很大。例如說大型的功率轉換器，有大於98%的轉換效率。然而許多的電子放大器只有小於50%的效率。,效率,27,例題4-12 有一120V直流馬達電壓使用12 安培電流產生1.6馬力。它的效率為多少？它的功率損耗為多少？解： 和 因此：,效率,28,例題4-13 功率放大器的功率為提供至負載的功率 (例如揚聲器等) 。比由電源供應器

9、所提供的功率，通常，它的效率不是很高。例如揚聲器系統的放大器功率傳送為400瓦。如果功率損失為509瓦，它的效率為何？解：,效率,29,如圖4- 19，考慮一有子系統之系統或串接的元件。其總效率為每個子效率的乘積。其中每一子效率皆用十進位系統表示，因此:,效率,30,例題 4-14解：及,效率,31,效率,32,例題4-16 延續圖4-20，若此馬達每天從早上9:00AM操作到中午12:00，從下午1:00操作到5:00，一周五天，輸出7hp至負載。若每千瓦小時需花0.085/kWh，一周需22.19元電費，求馬達齒/輪箱的合併效率為多少？ 解：因此，馬達的操作35h/wk。因此，這馬達/齒輪

10、箱合併效率為,效率,33,狹義線性: 目前所考慮的電阻皆為定數，它並不會隨這電流或 者電壓而改變。因為此電子的電流-電壓圖為一直線，我們稱此 電阻為線性(linear)或是歐姆性(ohmic)電阻。廣義非線性: 如同你於第3.10章所看到的，一些材料所做的電 阻會隨著電壓以及電流而改變。此材料稱為非線性，因為它們 的電流-電壓圖為一曲線(如圖4-21) ，我們稱此電阻為一廣義的 非線性。因為它們都會產生熱，而此熱會改變它們的阻值。Note: 對大部份的電阻來說，熱在它們正常的工作區裡此影響是很小的。也因此我們可以把它們當成是線性的元件。(一般示售的電阻可參考圖3-8，而於此書中大部分你遇到的電

11、阻都是線性的。),非線性以及動態電阻,34,直流阻值(常數阻值): 在線性的情況下以IV圖來顯示歐姆定律， 其阻值=V/I皆為常數，如圖4-21 。 V=10V 時 ， I = 20mA ，則Rdc=10v/20mA=500 。 V=20V 時 ，I = 40mA ，則Rdc=20v/40mA=500 。Rdc: 直流阻值,非線性以及動態電阻,35,非線性以及動態電阻,36,考慮線性與非線性的電阻圖如圖4-21:在V=20V 時 Rdc =20v/30mA=0.67 k Rac =20v/20mA=1.0 k 在V=60V 時 Rdc=60v/90mA=0.67k Rac=60v/50mA = 1.2 k 你可以發現當電壓增加的時候，電阻值也增加了。,非線性以及動態電阻,