电子在材料中流动会有阻力

電阻(Resistance)：電子在材料中流動會有阻力，此性質稱為電阻。因此電子流過材料時會消耗一些電位能，此能量通常轉換成熱能，使材料發熱。通常以R來表示電阻，單位為歐姆(W)。歐姆(W)的定義：當1V的電壓施加在某材料的兩端，若電流正好為1A時，此材料的電阻稱為1W。材料的電阻大小與下列幾個因素有關：1.材料本身的材質。電阻最小的材料為銀，其次為銅。2.材料的截面積。截面積愈大，電阻愈小，兩者成反比。3.材料的長度。長度愈大，電阻愈大，兩者成正比。4.材料的溫度。對大部份的材料而言，溫度愈高，電阻愈大。在某一固定的溫度下(通常以20°C為基準)，材料的電阻可由以下的公式來計算：ARlR：電阻。單位為W。l：長度。單位為m。A：截面積。單位為m2。：材料的電阻係數。單位為W-m。20°C下純銅的電阻係數：=1.69×10-8W-m一般商業用銅線：=1.724×10-8W-m一般銅線的直徑常用密爾(mil)為單位。1mil=0.001in=0.0254mm。一般銅線的截面積常用圓密爾(cmil或CM)為單位。1CM相當於直徑為1mil的圓形面積。因此262in104)in001.0(4CM1一般以美國線規(AWG)的號數來表示銅線的粗細。號數愈小，銅線愈粗。號數愈大，銅線愈細。電阻溫度係數：材料的電阻會因溫度的變化而改變它的電阻值。溫度每升高1°C，電阻所改變的比率稱為此材料的電阻溫度係數，通常以a來表示。溫度係數通常以20°C作為基準。一般的材料在正常的工作溫度下，電阻與溫度的變化幾乎呈線性關係。例如在20°C下，銅的溫度係數為0.00393/°C，若有一銅線的電阻在20°C下為5W，則在21°C下，此銅線的電阻會增加5W×0.00393=0.01965W，電阻為5.01965W。若在22°C下，此銅線的電阻會增加5W×0.00393×2=0.0393W，電阻為5.0393W。因此R2=R1[1+a1(T2-T1)]T1：基準溫度，通常是20°C。R1：基準溫度下的電阻。a1：基準溫度下的電阻溫度係數。T2：工作溫度。R2：工作溫度下的電阻。有些材料會因溫度升高而增加其電阻值，電阻溫度係數是正值，一般的金屬材料都具有此種特性。但有些材料，如半導體材料，因溫度升高時電子更容易流失，增加其導電的能力，因此溫度升高會使得電阻值降低，電阻溫度係數是負值，如碳。歐姆定律：科學家歐姆以實驗發現，金屬導體在溫度固定下，導體兩的的電壓(V)和所通過的電流(I)成正比。電壓愈大，所流過的電流就愈大，其比例常數定義為電阻(R)。歐姆定律可寫成V=R×IIVRRVI或或電阻器的功率：因為元件的功率為P=I×V，將歐姆定律V=R×I代入可得P=I2×R或者將代入可得RVIRVP2電阻器(Resistor)：實用的電阻器有許多不同的種類，由不同的材料或方法所製成，具有不同的型式、外觀與數值。在電路中使用電阻器通常用來控制電流大小，或造成電位下降等。電阻器的規格主要可以分成兩種：1.電阻值：通常用數值或色碼在電阻器上標出。2.額定功率：此電阻所能承受的最大功率，通常在外觀上愈大，其額定功率愈大。碳質電阻器：為一般最常用的電阻器，由碳粉與絕緣材料依適當的比例混合熱壓而製成。兩端引出兩條金屬導線。電阻的電路符號：電阻值=數值×10次方誤差範圍=電阻值×誤差百分比顏色的意義如下：顏色黑棕紅橙黃綠藍紫灰白金銀數字012345678910次方10010110210310410510610710810910-110-2誤差±1%±2%±5%±10%若電阻只有3個色環，代表誤差為±20%。電阻的色碼：一般碳質電阻通常有4個色環，精密碳質電阻有5個色環。在色碼中，每一個顏色的色環代表1個數字，其意義如下：四個色環的一般電阻(5%或10%誤差的電阻)：五個色環的精密電阻(1%或2%誤差的電阻)：可變電阻(VariableResistor或簡稱VR)：一般常用的電阻器為碳質電阻器，也有一些較為精密，穩定度較高，或功率較大，或溫度係數較低的電阻，如繞線式電阻、碳膜電阻器、金屬膜電阻器等可變電阻有3個輸出端子，左右兩個輸出端子間電阻固定，無法調整。中間的端子連接內部一個旋帚，轉動旋帚可以調整左中、及右中兩端子間的電阻。如圖所示，電阻值Rac固定，調整旋帚可調整Rab及Rbc的電阻，但Rac=Rab+Rbc。可變電阻的標示如同3個色碼的電阻，前2位為數值，第3位為10次方，但直接使用數字而非顏色，例如204表示Rac=20×104W=200kW，Rab與Rbc可以調整，可調範圍在0W到200kW之間，但Rab+Rbc=200kW。亦即，若將Rab調成60kW，則Rbc=140kW。可變電阻的電路符號：若只有接上左中、或右中兩個端子，不接第3個端子，則電路符號可繪成熱敏電阻(Thermistor)：此類型的材料具有很大的溫度係數，電阻值的變化對溫度很靈敏。有些熱敏電阻隨溫度上升，電阻值也上升，具有正溫度係數。有些熱敏電阻器隨溫度上升，電阻反而下降，具有負溫度係數。此類型的電阻可作為溫度感測。光敏電阻(Photoresistor)：當光照在光敏電阻上時，此類型物質的電阻會降低，導電性增加，兩端的電阻大小與入射光的強度成反比，例如硫化隔(cds)。光敏電阻可作為光感測器，用於亮度自動控制，街燈自動控制等。開關(Switch)：在外型上或功能上都有很多種不同型式的開關。以下顯示了幾種開關的電路符號：SPST(單刀單擲)SPDT(單刀雙擲)DPST(雙刀單擲)DPDT(雙刀雙擲)按鈕開關有些按鈕開關按下去會被扣住，有些一釋放會自動彈回來。開關的使用：使用2個SPDT作為樓梯燈的開關：使用1個DPDT來控制直流馬達正逆轉：使用1個SPST作為電燈的開關：短路(Short)與斷路(Open)：電源兩端相接的導線及元件，中途有中斷，電流無法流過，稱為斷路。電源的兩端在不預期之中被一條電阻很小的導體相連，稱為短路。短路時電阻極小，電流很大，RVP2電源釋放出極大的功率，會造成危險甚至火災。保險絲(Fuse)與斷路器(Breaker)：使用保險絲或斷路器來預防不預期的短路現象。電流過大使保險絲過熱，燒斷保險絲形成斷路。保險絲有3個主要的規格：(1)能承受而不燒斷的額定電流；(2)燒斷時能承受的電壓；(3)過負載時燒斷的速度斷路器的原理通常使用過熱時膨脹變形，而使開關跳開斷路。斷路器跳開後必須等待一些時間，待其冷卻後可再重置，不必更換。電池(BatteryandCell)：Cell：指單一個電池單元，含有2個電極(正極及負極)及兩電極間的電解質。Battery：通常泛指由1個Cell或由許多個Cells所組成一個整體的電池。電池可分為原電池(Primarycells)與二次電池(Secondarycells)兩種。原電池無法再充電，因為電極與電解質間的化學反應無法逆向，用完了必須回收。二次電池可以再充電使用。含有兩個電極及電解質，利用其間的化學反應釋放電能，是一種直流電壓源。常用的原電池有以下幾種：碳鋅電池(Carbon-Zinc)鹼性電池(Alkaline)水銀電池(Mercury)鋰電池(Lithium)常用的二次電池有以下幾種：鉛酸蓄電池(Lead-Acid)鎳鎘電池(Ni-Cd)鎳氫電池(Ni-MH)鋰離子電池(Lithium-Ion)碳鋅鹼性鋰電池碳鋅電池：陽極為二氧化錳，以碳棒相接將電流導出，陰極為鋅，使用氯化銨作電解質，為目前市面上最常見，最便宜的電池，但具有許多缺點：1.內阻大，無法流出大電流。2.同重量的電池容量小。3.低溫之下特性不良。4.電壓不穩定，會隨著放電量增加而逐漸降低。鹼性電池：與碳鋅電池使用相同的電極，但使用氫氧化鉀作為電解質。比碳鋅電池貴一些，但卻可改善碳鋅電池一些缺點。電壓也會隨著放電量增加而逐漸降低，但內阻小很多，可以流出較大的電流，電壓也不至於大幅下降。低溫下的反應較好，而且同體積的電池容量較碳鋅電池大很多。水銀電池：陽極為鋅，陰極為氧化汞，使用氫氧化鈉或氫氧化鉀作電解質。最大的優點是在95%以上的使用壽命期間，電壓都非常穩定，維持在1.35V，且有很長的儲存期。低溫下的特性不佳，較為昂貴，且含有汞，已漸被其他電池所取代，如鋰電池。鋰電池：陽極使用鋰，陰極可使用不同種類的材料，造成各種不同的輸出電壓，從不到2V到接近4V的鋰電池都有，其中常見的一種陰極使用二氧化錳，電解質為鋰化合物，此鋰錳電池稱為CR，使用電壓3V。具有很大範圍的使用溫度，很長的儲存壽命，且使用期間電壓很穩定，對相同重量的電池而言，容量大。鉛酸蓄電池：陰極為鉛，陽極為二氧化鉛，使用硫酸作為電解質。最大的特點是內阻極小，可以流出極大的電流。硫酸比水重，當電池完全充飽時，比重大約1.28左右，當電池放電時，化學反應會變成水，因此比重會下降。一個完全放電的電池，比重約會下降至1.15左右。因此用比重計可以測量電池所剩餘的電力。鉛酸電池因含硫酸，具腐蝕性，不可接觸到皮膚。電池充電時必須避免過充，否則會產生氫氣，具有危險性。一個單一電池單元電壓為2.1V，可串聯6個成為一般常用的12V電池，充飽電時電壓約為12.6V。鎳鎘電池：陽極為氫氧化鎳，陰極為鎘，使用氫氧化鉀作電解質。比起一般乾電池而言，具有較大的輸出電流，輸出電壓也較穩定，低溫下特性良好，一個電池電壓約1.2V。鎳為有毒物質，目前已逐漸被鎳氫電池所取代。鎳氫電池：類似鎳鎘電池，但陰極使用含氫金屬。同體積的電池，電荷容量可達鎳鎘電池的3倍。當充飽電時，電壓約接近1.4V，使用至中度放電時，電壓約1.2V。不可以過度放電，否則會造成永久損壞。電池會自我放電，與鎳鎘電池都具有記憶效應，若常常部份放電後即加以充電，容量會變小。因此有時候必須等放電較完全時再加以充電。鋰離子電池：一個特性相當良好的電池。輕、容量大、沒有記憶效應、低自我放電。陽極使用碳，陰極使用金屬化合物，通常是鋰化合物，電解質為鋰的有機溶劑。根據不同的材料組合，不同材質的鋰離子電池可具有不同的電壓，可低達2V，高達接近4V。一種常見的電壓是3.6V。電池容量：電池容量通常以Ah或mAh來表示。1Ah代表若放電電流為1A時可使用1小時。電池容量=放電電流放電時間