交流電的基本認識


以下是我在暑假為 台灣省高中教師電子進修班 研習時,講授內容的綱要。


電源

  1. 電壓源與電流源:電壓源與電流源各使用於哪些場合?
  2. 所謂電壓源 是指電源供應器能夠提供穩定的電源電壓,

      而不因所接電器不同而有所不同,其所能提供的最大電壓有一定限度。

      儀器控制輸出的電壓,至於所輸出的電流則取決於負載(所接電器)的電阻。

      所能提供的最大電流則由供應器的最大輸出功率所限制。

      通常電壓源電源供應器能提供較廣泛電壓的輸出範圍,但通常較小的輸出電流。

    而電流源 則是能提供較穩定的電流輸出。

      供應器所控制的是輸出的電流量,

      至於所輸出的電壓則由負載(所接電器)的電阻和提供的電流相乘積來決定。

      通常電流源電源供應器能提供較大電流的輸出,

        大多用於電阻較小的裝置,如磁場線圈等。

    通常電源供應器價格只要取決於所能輸出的最大功率,

      輸出功率越大體積通常也越大(也更重)。

      除了線圈類且需要較大量電流的裝置外(例如實驗室用來產生穩定強磁場的線圈),

      一般而言 大多數的電子裝置都是使用電壓源 供應電能的。

  3. 理想電源 與 實際電源 (供應器)
  4. 理想的電壓源 不論所接負載為何都應該要能提供固定的輸出電壓。

      萬一所接的負載電阻很小時,則需能提供很大的電流。

      實際的電壓源的最大輸出電流,除了會受到最大輸出功率所限制外,

      電源本身也存在著內電阻,與負載電阻相串接。

      因此若負載電阻變小至與電源供應器內電阻接近時,

        所輸出到負載上的電壓降也會逐漸降低。

      當負載電阻等於電壓源內電阻時,所輸出的電壓降為原來的一半。

      因此通常電壓源的都設計有較小的內電阻,內電阻越小越接近於理想電壓源。

      例如 做 導線通電產生磁場影響指北針偏轉的實驗:

        將 1.5伏特的乾電池 正負兩端用金屬線直接相連時

        則兩端的電壓降會降低很多(遠小於1.5)。

    現代學校實驗室所採用的電源供應器 仍然以 電壓源為主,

      但是同時提供了限制最大輸出電壓與限制最大輸出電流的控制鈕。

      所輸出的電壓與電流必須同時滿足兩旋鈕的條件。

      這是為了提供較安全的使用方式。

    假設想使用電源供應器提供輸出電壓 Vo 給電器,

      當未接上任何負載時,由於不會有電流的輸出。

    因此可以由顯示刻度先調整輸出的電壓值(同時調整相同的最大輸出電壓),

      然後將 最大輸出電流調至較小範圍。此時電壓輸出顯示值並不會改變。

    當接上負載後會發現輸出電壓值會降下很多,因為此時輸出 被最大輸出電流所限制,

      逐漸增加最大輸出電流 直到所需要的電壓為止。

    若是尚未達到最大輸出電壓時,輸出的電流已經超出所預期的大小,

      則表示負載的電阻已經不是原先所想像的(通常可能是損壞了)。

    如果事先沒有最大電流的限制,當接上電源時,極可能已經聞到焦味了!

    給學生使用時,善用這兩個控制鈕可以保護不少的儀器,減少出狀況的機會。

  5. 直流(DC) 與交流(AC) :
  6. 我們家中使用的電器雖然都是接在 110V 的交流電插座上。

    但是除了 冰箱、電風扇、烤箱、電鍋、電燈等較大功率的電器外,

      交流電 進入不少電器內便會馬上被轉換為直流電後使用的

      例如:電視機,錄影機,音響,電腦等。

    其實通常那些大功率的電器若是直接改用同樣電壓的直流電可以發揮出同樣的功能。

    汽車內的電器用品(CD音響等)則幾乎都是使用電瓶所提供的直流電。

      想一想::為何汽車不使用交流電呢?使用直流電有何好處?

    平常手提的音響,電視也都是可以使用乾電池,手電筒不就是較小型的電燈嗎?

    為什麼 電力公司不用直流電輸送電,而卻採用交流電來輸送電能呢?

    還要我們買電器時多花錢買將電源由 流轉為直流的功能。

    事實上偉大的 愛迪生當他發明電燈後,愛迪生電燈公司為紐約 建立照明系統時,

      所需的電力輸送便是採用輸送直流電的方式。

    只是後來人們都改採用 特司拉(Tesla 克羅埃西亞人) 為 西屋公司設計的交流輸送系統。

    讓我們回顧當時 愛迪生 所遭遇的困難。

    愛迪生當然也知道要輸送交流電所將遭遇的困難與需要付出的代價。

    但是他認為傳輸交流電較危險,而且是來自外國人的構想而一直堅持自己的信念。

    當電流經由導線傳輸時,導線本身存在的電阻也會消耗電能。

    且在同一傳輸導線上,所消耗的電能將和傳輸的電流的平方成正比。

      算一算:

        1. 銅線電阻係數是 1.7× 10-8 Ω-m, 估算直徑 0.5 cm的導線,

          每一公里長度的電阻是多少?

        2. 台電平均發電功率約 107kW=1010W,

          若是傳輸電壓是100V,導線本身每公里會消耗多少功率?

          ( 86/5/21 報載 最大負載 2.375×1010W, 最大容量 2.604×1010W)

      請你 確實 算一算, 你應該會很驚訝!也會有更深的體會。

      如果你偷懶不算 ,那就太可惜了!

    由於電流並需形成回路,因此家中的每一電源線

      必須 直接連接到 電力公司的發電廠(真可怕)。

    沿著導線電壓將逐漸下降,由於導線的消耗,距離越遠的地方

      勢必要使用更粗的傳輸線才能傳輸相同比例的有效使用功率。

    他當時採用銅線作為傳輸的導線(導線電阻僅次於銀的金屬一些些,卻更便宜)。

    當然 愛迪生 知道 如果傳輸時使用 較高電壓的直流電傳輸時,相對的導線消耗會減少。

      因為傳輸電壓升高後,欲傳輸相同功率的電能時,所需要傳輸的電流減少了。

      而導線的消耗卻是與電流的平方成正比,因此提高 10倍的傳輸電壓時,

      傳輸電流也可以減少10倍,則導線的消耗可以減少 100倍!

    但是傳輸線又要直接連通到家裡使用的電燈上。

    高壓電不僅會產生放電現象,不小心接觸人體很容易造成致命的傷害。

    安全的理由,限制了所能使用的電壓上限。

    愛迪生明白交流輸送也需要採用高壓電才會有利於直流輸送,但他對高壓輸送覺得不可行。


    請你算一算:估算 電子的平均飄移速度 Vd

      銅的密度 8.9 g/cm3, 原子量 63.5 g/mol,假設每一個銅原子提供一個自由電子。

        電流 I = n e Vd A

      若電子的平均飄移速度 Vdt 時間內

      Vd t A 體積內的電子皆會通過截面積 A

      所以單位時間內通過的電子數 =電流 = n e ( Vd t A)/ t = n e Vd A

      假設寬度1.0 mm, 通過 1安培電流的銅線。

      請你算一算 電子平均移動的速度飄移速度 Vd 是多少呢?

      個別電子的運動速度則相當快,約 106 m/s

      想一想為何 會差那麼多呢?

  7. 交流訊號函數:
  8. 未完代續


變壓器和電力輸送


電阻,電容,電感 的性質和種類


電阻:

電容:C≡Q / V 單位:法拉 F (Faraday)

電感 :L≡Ψ/I , Ψi =∫ B •dA 單位:亨利 H(Henry)

相位:複數表示法


實驗室配電安全和基本電表的認識


三相系統與單相系統:

  1. Y型連接: A,B,C,N VAB= √3 VAN=1.73 VAN
  2. △型連接:

實驗室配電與用電安全:

電表的認識:

實驗內容:


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作者:國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
最後修訂時間
since 2011/06/20