03_电能回路设计.docVIP

電能迴路設計 微電能實驗室 實驗目的 本實驗的目的在於親自動手體驗電路設計的過程,並透過實驗觀察與記錄，了解電子電路的基本行為,以便未來投身在電子業中能夠熟練運用這些基本定律。 實驗原理 (1)基本定義 電位：指將一電荷q從無窮遠移到某一點所需作的功除以q，則定義為此點的 電位；單位為伏特(V)，定義為一庫侖電荷做一焦耳(joule)功，所需之電壓。 電流：當電荷發生淨移動時，在其移動方向上即構成電流。在電荷流動通過之截面上，單位時間內通過之電荷量稱之。以 “I“ 表示；其單位為安培(A)，定義為每秒鐘流經一庫侖的電子，即dQ /d t。 電阻：限制電路中電流的量，亦稱為電流的阻力。其單位為歐姆(Ω) 。 電功率：定義為單位時間內所作之功。因導線不積存電荷，故在一閉路電路中有多少電荷通過電池必有相同量之電荷通過電阻。於t時間內電阻所消耗之電能ΔW=QV功率大小是由電流和驅動電壓的數量來決定的，即P=ΔW / t = QV/ t = IV；其單位為瓦特(Watt)，其定義為每秒所消耗之能量。 電容：加電壓至金屬平行板上，電荷會分布於其上，如兩平行金屬板的面積為A，距離為d， 則兩金屬板間的電 容C則定義為： 其中，F/m；電容C的單位為法拉第(F)。 電感儲存的磁能= 1/2 ×L I2與電流方向無關 電容儲存的電能= 1/2 ×C V2與電壓極性無關 電感：一根導線通過電流會在其周圍產生磁場，當電流產生變化其周圍磁場亦會產生變化，而磁場的改變又會感應出電場，此電場會抑制電流的變化 L即為電感，單位為亨利(H) =韋伯weber (磁通量單位)/ A = Vsec / A，意義為每秒的電流變化所感應的電壓 英文名稱 代表意義 符號 換算單位 庫侖 Coul 電量單位 Q ? 安培 Ampere 電流單位 I 庫侖/秒 伏特 Volt 電壓單位 V 焦耳/庫侖 焦耳 Joul 能量單位 J 牛頓*米 瓦特 Watt 功率單位 W 焦耳/秒 (2)RLC簡介 克希荷夫定律 引導資料 利用「克希荷夫定律」(Kirchhoff’s laws)，可以簡化複雜電路的求解工作。這些定律是由物理學家高斯塔夫?羅勃特?克希荷夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824 ~ 1887)所推導及發表的。他的定律建立了近代「網路分析」(network analysis)的基礎，同時，不論電路中含有多少個電壓源，都能適用。 (1)克希荷夫電壓定律(KVL) 在電路的任意封閉迴路(Loop)中，電壓升的總和等於電壓降的總和，亦即電壓的代數總和為零。 ΣV=0 (2)克希荷夫電流定律(KCL) 在網路中流入任一節點的電流等於流出該節點的電流，亦即任意節點的電流代數總和為零。 ΣI=0 ? 基本電路 歐姆定律：科學家歐姆(Georg Simon Ohm,1787-1854)發現，金屬線導電時，兩端的電壓(V)與通過的電流(I)成正比，此電壓與電流的比值即為金屬線的電阻。 電壓與電流關係圖： (1)一般金屬導體，在定溫下，電壓與電流關係為一通過原點的直線，即電阻維持一定，遵守歐姆定律，如圖2所示。 (2)有些物體如電子零件中的半導體，其電阻值會隨所加電壓的大小而有明顯變化，其電壓與電流關係不成正比，關係圖為一曲線，不符合歐姆定律，如圖3所示。 依穩定電流而言，電路中電流的大小與加於該電路之電動勢成正比，而與該 電路的總電阻成反比。 即 I = V / R 其中V 代表電壓降或端電壓，單位為伏特；R代表被量度部份的電阻，單位為歐姆。 由歐姆定律可界定歐姆之定義如下： 「一伏特電壓產生一安培電流的電阻為一歐姆。」 RC電路 ?? ΣV=0 (由克希荷夫定律) 由此關係式，可以知道電容兩端的電壓，與電容充放電時間有關係，事實上，R×C的單位為時間所以我們稱RC值為電容時間常數（τ），當t=RC時，在充電過程，Vc=ε(1-exp(-1))≈ 0.63ε；放電過程，Vc=ε(exp(-1))≈ 0.37ε，於是我們可以利用電容充放電電壓與時間作圖，即可求出電容的大小。 RL電路 ? ΣV=0 (由克希荷夫定律) IL=I0(1-exp(-t/τ)) 其中，τ=L/R，τ稱為RL電路的時間常數，當t=τ時，IL=0.63I0。 ΣV=0 (由克希荷夫定律)