電學

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電學英文:electricity, electrical science),涵蓋一切以為研究基礎的學科。19世紀末隨著電報電力系統的應用逐漸奠定了此工程的學科基礎,並廣泛地應用在各個領域。在技職教育上,以基本電學作為起始基礎教育學科,電機工程包括許多「次領域」如:電路學電子學電力學電磁學等等,並且與其他物理科學領域有相互關係。

發展歷史[編輯]

  • 十八世紀:發生於十八世紀的工業革命,由於蒸汽機的發明,以機器代替人力獸力,改變了人類的生產方式,大幅地提升了物品生產的質和量。
  • 二十世紀初期:在二十世紀初期發明的真空管,可以放大和處理電子訊號,因此產生了廣播電視、和電話等遠程通訊事業,使人類的通訊和娛樂方式為之改觀。但是以真空管裝配的電子產品,不但體積大而且耗電量多,因此早期的電子工業對人類生活的影響,主要是在通訊和娛樂方面。
  • 二十世紀中期:在二十世紀中期所發明的電晶體和其後發展的積體電路Inte-grated Circuit,簡稱IC)技術,幾乎完全取代了真空管,電子工業產生了革命性的變化,電子電路的設計和製造縮小到微米的尺寸。利用新的電子技術,機器生產得以自動化,通訊更為便捷且多樣化。
  • 二十世紀的末期:在二十世紀的末期,個人電腦和網際網路的普及,縮短了人與人之間的距離,使得天涯若比鄰。電子科技的發展和應用,對人類生活的各個層面產生了深遠的影響。

重要觀念[編輯]

電機工程所設計的電力系統

基本電學[編輯]

  • 電子(electron):在原子中,圍繞在原子核外面帶負電荷的稱為電子。
  • 閉合電路(Closed-circuit,ON狀態):當電源、導線、負載形成一完整路徑。
  • 開合電路(Open-circuit,OFF狀態):當電源、導線、負載形成一不完整電路。
  • 短路(short circuit):有一條不經負載的路徑被形成稱之。負載是限制電流流動的總數,若不經負載則會有巨大電流在導線流動,將造成電路融掉毀損。
  • 電壓(voltage):或稱電位差,是趨使電子流經導線的一種潛能,若把電荷從一點移到另一點必須對電場做功就稱兩點之間存在電壓(電位差)。
  • 電流(electric current):當正電荷發生淨移動時,在其移動方向上即構成電流。
  • 電子流 在電路中正電荷其實不移動,實際移動為電子,電子流的方向為電流的反向
  • 電荷(electric charge):電子負荷的量,電場之源。
  • 電阻(electric resistance):限制電路中電流的量,亦稱為電流的阻力。
    • 阻抗(impedance):交流電路中對電流限制能力(以同電阻用於直流電路非常相似的方式)的一種度量。定義為電壓除以電流
  • 電功率 (electric Power):定義為單位時間內所作之功。因導線不積存電荷,故在一閉合電路中有多少電荷通過電池必有相同量之電荷通過電阻。
  • 電場(electric field):正或負電荷周圍產生電作用的區域,電場方向由高電位指向低電位。
  • 電容(capacitance):加電壓至金屬平行板上,電荷會分布於其上,而其所表現的比例常數值,也是存儲電荷能力的度量。
  • 電感(inductance):線圈由變化磁場對另一個線圈(互感,M)或自身(自感,L)產生電壓能力的度量
  • 電路(electrics circuit):由電源、用電器、導線等連接組成的電流通道
  • 串聯(series connection):指把各個組件端與端相連的連接方法
  • 並聯(parallel connection):指把各個元件並列在電路兩端的連接方法
  • 串聯並聯(multiple-series connection):指把多個組件端與端相連的連接方法

應用電子學[編輯]

  • 電源(power supply):乾電池與家用的110V/220V 交流電源是常見的電壓源。
    • 電壓源:可以維持定值大小的電壓且不受負載變動的影響的來源。
    • 電流源:可以維持定值大小的電流且不受負載變動的影響的來源。
  • 充電(electrify)
  • 變壓/整流(rectification/commutation):把交流電(不斷改變方向的電流)變為直流電,只允許電流朝一個方向流動。電燈和電機使用交流電,但大多數電子設備需用直流電。
  • 導體 (conductor)
  • 接地(ground connection; grounding; earthing)
  • 電擊(electric shock):經由導體接觸到某程度的電壓源,人體只要1mA就會有觸電之感覺,5mA以上就會有肌肉痙攣現象,在嚴格控制下可作為醫療使用,但未受控制下將會造成生命危險。

主要領域[編輯]

電子學 (Electronics)[編輯]

電子電洞(電洞)為基礎, 探討的電流量通常較小(弱電), 藉由控制帶電粒子, 以達到儲存資料或是控制開關等目的。

電力學[編輯]

電力學以探討大電流(強電), 高功率的電路為主的科學, 常應用於發電、供電系統。


電路學 (circuitry)[編輯]

電路學克希荷夫定律(Kirchhoff's rules)為基礎,探討元件(裝置)之「電壓」與「電流」關係;或是探討放大,雜音的關係。工程師利用電子元件來設計「電路」以實現所需的功能。

微電子學[編輯]

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微電子學Microelectronics)是電子學中的子領域(subfield),且顧名思義的,微電子學是一項專門研究與學習如何將電子組件(或稱:電子零件)以極小型的方式研製生產的學問。

微電子零件(微型化的電子零件)多半以半導體光罩蝕刻製程來實現、製造,製造成的裝置(晶片)中有許多與傳統電路零件功效等同(簡稱:等效)的微電子零件,例如電阻電容電感憶阻器二極體電晶體等,此外當然也包括了絕緣體導體在內。

相關基礎學科[編輯]

次領域[編輯]

機電整合[編輯]

壓電力學[編輯]

數位控制[編輯]

自動控制[編輯]

指不需藉著人力親自操作機器或機構,而能利用動物以外的其他裝置元件或能源,來達成人類所期盼執行的工作。以生化電機電腦通訊水利蒸汽等科學知識與應用工具,可按設計程序來執行代替人力或減輕人力或簡化人類工作程序的機構機制。

電學在自動控制應用代表為繼電器、開關與可程式控制器(PLC)。

電工學 (electrotechnics)[編輯]

電磁學 electromagnetics[編輯]

控制系統[編輯]

機器人學 robotics[編輯]

電機 electric machinery[編輯]

交叉領域[編輯]

  • 光學: 光電學/光電子學
  • 化學: 電子化學
  • 物理: 電子物理. 量子力學. 核子工程
  • 材料: 電子材料
  • 生醫: 生物電子學醫學電子學


單位符號[編輯]

基本-

單位 英文名稱 代表意義 符號
庫侖 Coul 電量單位 C
安培 Ampere 電流單位 A
伏特 Volt 電壓單位 V
焦耳 Joul 能量單位 J
瓦特 Watt 功率單位 W
歐姆 Ohm 電阻單位 Ω

代表性科學家[編輯]

對電學有貢獻的科學家包括:

重要電學定律[編輯]

電學 體系

電子學 | 電磁學 | 電路學 | 電力學 | 半導體學 | 靜電學
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