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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[编辑]

在20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。在20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,對人類生活的各個層面產生了深遠的影響。在20世紀的末期,個人電腦網際網路的普及,縮短了人與人之間的距離,使得天涯若比鄰。

电学基本概念[编辑]

基本電學[编辑]

國際單位制电学單位
基本單位
單位 符號 物理量
安培 A 電流  
導出單位
單位 符號 物理量
伏特 V 電勢電勢差電動勢 = W/A
歐姆 Ω 電阻電抗阻抗 = V/A
法拉 F 電容  
亨利 H 電感  
西門子 S 電導導納,磁化率 = Ω−1
庫侖 C 電荷量 = A·s
歐姆·米 Ω·m 電阻率 ρ
西門子/每米 S/m 電導率  
法拉/每米 F/m 電容率介電常數 ε
反法拉 F −1 電彈性 = F −1
伏安 VA 交流電功率,視在功率
無功伏安 var 無功功率,虛功
瓦特 W 电功率,有功功率,實功 = J/s
千瓦·时 kW·h 电能 = 3.6 MJ
  • 電子(electron):在原子中,圍繞在原子核外面帶負電荷的稱為電子。
  • 電路(electrics circuit):由電源、用電器、導線等連接組成的電流通道,分为閉合電路和開合電路。不經負載的闭合电路被稱之为短路。电子元器件在电路中的连接方法有串聯並聯两种基本形式。
  • 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)是電子負荷的量,電場之源。當正電荷發生淨移動時,在其移動方向上即構成電流
  • 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

應用電子學[编辑]

  • 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。

研究領域[编辑]

電機工程所設計的電力系統

主要的研究领域是:

  • 靜電學是研究「靜止電荷」的特性及規律的一門學科。
  • 電子學(Electronics)以電子電洞(空穴)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。相关概念如:半導體積體電路(IC)、印刷電路板(PCB)、固態元件等。
    • 微電子學(Microelectronics)是電子學中的子領域,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。
  • 電力學是以探討大電流(強電), 高功率的電路為主的科學, 常應用於發電、供電系統。相关概念如:發電機/馬達變壓器/整流器、功率元件等。
  • 電路學(circuitry)以克希荷夫定律(Kirchhoff's rules)為基礎,探討元器件的「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。

次領域有機電整合、壓電力學、數位控制、自動控制、電工學 (electrotechnics)、電磁學、控制系統、機器人學(robotics)、電機(electric machinery)等。

交叉領域有光學(光電學/光電子學)、電化學、電子物理、量子力學、核子工程、電子材料、生物电子学、医学电子学等。

其他相關的基礎學科有微積分工程數學離散數學工程英文等。

代表科學家及其贡献[编辑]

科学家 贡献
本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin) 避雷針
安德烈-玛丽·安培 (André-Marie Ampère) 安培定則安培定律
亞歷山卓·伏打 (Alessandro Volta) 伏打电池
海因里希·鲁道夫·赫兹 (H.Hertz) 電磁波
迈克尔·法拉第(Michael Faraday) 電磁感應抗磁性電解
庫侖 (C.A.Coulomb) 庫侖定律
亨德里克·洛倫茲(H.A.Lorentz)
约瑟夫·汤姆孙 (J.J.Thomson) 電子
馬克士威(J. C. Maxwell) 馬克士威方程組
维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)
路易·德布羅意(Louis de Broglie)
埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)
約瑟·亨利 (Joseph Henry)
尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr)
古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff) 克希荷夫定律
戴維南(Léon Charles Thévenin) 戴維寧定理
托马斯·爱迪生(Thomas Alva Edison)
尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)
蔡少堂 (Leon Ong Chua)
愛德華·勞笠·諾頓 諾頓定理

参见[编辑]

参考文献[编辑]

電學 体系

电子学 | 電磁學 | 電路學 | 電力學 | 半導體學 | 靜電學
| 電荷 | 電子 | 電洞
電子材料 | 電阻 | 電感 | 電容 | 二極體 | 半導體 | 記憶體 | 積體電路