第十四章 電與生活 14-1 伏打電池 一.電池：利用化學反應以產生電位差(電壓)的裝置，稱之為電池；換句話說， 電池乃是將化學能轉換成電能的裝置。 1.電池的種類：若根據電池的充電、放電與否，則可分為兩種： (a)一次電池：只能放電而無法利用充電後再次使用的，例如，乾電池 伏打電池、水銀電池等等。 (b)二次電池：放電之後，可再次充電而再行使用的，例如，鉛電池、 鋅銅電池、鎳氫電池等等。 2.電池的用途：今日的電池使用已相當廣泛，並成為人類生活中的一部分 。 如， (a)手電筒、照相機、電子錶、車、船、大哥大等等都使用電 池。 (b)未來趨勢，可避免空氣污染的電動車，需靠電池技術的 提昇，才可更顯其重要性。 (c)甚至軍事裝備方面，如雷達、飛彈都附有電池裝置。 二.伏打電池： 1.發現： (a)最早發現伏打電池的靈感，是十八世紀來自於義大利醫生賈法尼 ， 在偶然的機會下，以銅製的解剖刀碰觸到置於鐵盤內的青蛙，結 果發現青蛙有抽搐現象(這是青蛙體內的電解質，使解剖刀與鐵盤 之間產生電流而形成)。 (b)進而義大利物理學家伏打也發現人體導電的現象。於舌頭上放錫片 舌頭下放銀幣，當錫片與銀幣接觸時人會感覺微微刺痛，若不接 觸則不會。此乃舌頭上的導電物質，使錫與銀這兩種不同金屬之間 產生了電流所導致。 2.製作：由不同金屬片插入電解質溶液中而成的電池。義大利科學家伏打 以含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中，然後堆積成圓柱， 再利用導線接最頂端的銀圓板與最低的鋅圓板，製得一最早的電 池，即稱之為伏打電池。 (a)組成：由上至下是銀布鋅銀布鋅………的依次堆積 而成之圓柱形。 (b)原理：利用兩種不同金屬活性上(得失電子能力)的差異；活性大的 金屬(鋅)，易失去電子，通常作為負極；而活性小的金屬 (銀)，則比較容易得到電子，所以，通常作為正極。
活性大 金屬易失去電子 作為正極 鋅 活性小 金屬易得到電子 作為負極 銀 (c)應用：常見的伏打電池有鋅銅電池、銅銀電池。 <範例>：鋅銅電池 1.裝置：如下圖。 (a)燒杯甲中裝有硫酸鋅水溶液，並插入一鋅片；燒杯乙中裝硫酸銅水溶液， 並插入一銅片。用導線連接鋅片與銅片，同時串聯一毫安培計，並檢 驗是否有電流。 (b)在 U 形管中裝滿硝酸鉀溶液，並以棉花塞在兩端管口，以防止液體 外流，作成鹽橋。 (c)鹽橋未插入時，電路為斷路，所以，毫安培計讀數為零；表示沒有 電流經過，故燒杯中沒有化學反應發生。 (d)鹽橋插入兩燒杯後，電路變成通路，可看到毫安培計指針發生偏轉； 表示有電流經過，故甲、乙兩燒杯中均起化學變化。 圖一未插鹽橋沒有電流 圖二鹽橋的裝備 圖三插入鹽橋有電流生成 2.鋅銅電池的化學反應： (a)正極：因為鋅金屬活性較大，較容易放出(失去)電子，而變成鋅離子， 並溶解於溶液中，故鋅片質量減少了；而放出的電子則經由鋅 片、導線而到達銅片。其反應式如下：Zn Zn2+ + 2 e－ (b)負極：因為銅金屬活性較小，較容易得到電子(來自鋅片)，所以，乙 燒杯中的銅離子(Cu2+)可獲得來自鋅片的電子而變成銅原子， 在銅板上析出，故銅片質量增加了。反應式如下：Cu2+ + 2 e－ Cu 總反應式：Zn + Cu2+ Cu + Zn2+ 3.鋅銅電池的電路：由兩部份所組成，如下圖。 (a)電池外部：依靠電子的傳遞，即電子自鋅片流出，經由導線流向銅 片，所以鋅片是負極，而銅片是正極。 (b)電池內部：依靠離子傳遞電荷，即電池內部電解質所解離的正離子
外電路：電子由鋅 銅；電流由銅 鋅。 內電路：正離子游向正極；負離子游向負極。 (c)電池內部的導電是利用離子游動，其所受阻礙時，稱之為內電阻。例 如，電池使用一陣子以後，可感覺到熱熱的，既是內電阻所造成。 鋅銅電池的電子與離子之流動方向 4.鹽橋： (a)鹽橋的構造：鹽橋為 U 形管中裝有易解離的鹽類水溶液，如硝酸鉀 (KNO3)、硝酸鈉(NaNO3)、硝酸銨(NH4NO3)、氯化鉀 (KCl)等，沒有鹽橋，電池就不能發生反應，不產生電 流，故鹽橋是為電流的橋樑。 (b)鹽橋的功用： 維持溶液的電中性：使電池發生作用，而電池能在外電路流動。 溝通電流：鹽橋可以把兩種隔離的溶液聯繫起來，可避免兩種溶液混合。 (c)注意事項： 管中不可有氣泡；若有氣泡可能會使電流中斷。 注意鹽橋內鹽類水溶液的選擇，應留意是否會與電解質發生反應。 U 形管用棉花塞住時不可太鬆或太緊；太鬆則鹽橋內亦體會漏出和杯中溶 液混合；太緊則離子不易通過，無法平衡杯中多餘的離子。 5.總結：鋅銅電池的綜合整理，如下表(鹽橋內含有 KNO3溶液)： 負極(鋅板)的反應 正極(銅板)的反應 Zn Zn2+ + 2 e－ Cu2+ + 2 e－ Cu Zn 易失去電子，為負極 Cu2+於正極得到電子 負極重量減少 正極重量增加 Zn2+濃度增加 Cu 2+濃度減少 鹽橋內NO3－向負極游動 鹽橋內K+向正極游動 <小試身手> 1.伏打電池的正極是採用活性 的金屬，易 電子；負極則是用活性 的 金屬，易 電子。 2.不同金屬片插入裝有電解質水溶液所形成的電池稱為 。
3.一鋅銅電池裝置如右圖，試問： (1)若將鹽橋移走，則安培計的讀數會 有何變化？(a)不變 (b)變大 (c)變小 但不為零 (d)變為零。 (2)寫出鋅銅電池正負極之反應式。 正極： 。 負極： 。 全反應： 。 (3)插入鹽橋後，毫安培計的偏轉方向是偏向 。 (4)以能量的觀點來說，鋅銅電池是 反應。 (5)鋅銅電池的基本原理是利用金屬間的 不同所致。 (6)鋅銅電池反應所產生的能量乃藉著 的傳遞，由 板經導線流向 板。 (7)電池的內部則是依 的游動產生內部電流。 (8)若有 2 莫耳的電子經外導線，則銅板的重量 ， 莫耳；而鋅板的重 量 ， 莫耳。 4.鹽橋中所裝的水溶液是 (a)易解離的酸類 (b)易解離的鹼類 (c)易解離的鹽類 (d) 易解離的酸、鹼、鹽類均可。 5.伏打電池中，自由電子由甲極流向乙極，則甲、乙兩極金屬的活性，何者較大 (1)甲 (2)乙 (3)不一定 (4)相同。 6.鋅銅電池放電時，真正參與反應的粒子是 (1)Zn2＋與Cu2＋ (2)Zn2＋與Cu (3)Zn 與Cu2＋ (4)Zn2＋與Cu。
7.鋅銅電池中的所有電解質不得有 (1)AgNO3 (2)NaNO3 (3)CuSO4 (4) ZnSO4。
8.在鋅銅電池放電時，以鋅原子減少的莫耳數為橫軸，銅原子增加的莫耳數為 縱軸，則下列各圖中，正確的是
(1) (2) (3) (4)
9.已知 A、B 兩金屬間有下列反應：A ＋ B2＋ A2＋ ＋ B，則以 A、B 兩金屬片製
成的電池中， 易失去電子，為 極。 14-2 實用電池
不斷的研究改良其效率，常見的電池種類如下： 一.乾電池：任何電池都必須由正負兩電極及電解質水溶液所成，如果在電解質 水溶液中加入少量澱粉混合成糊狀物，使電解液不易外滲，且攜帶 方便，這種電池稱之為乾電池。一般而言，指的是碳鋅電池。 1.構造：外殼是鋅片為負極，而 中央是碳棒為正極，內 部填滿糊狀的化學物質， 如右圖。 2.填充物：於電池正極的四周填滿 氯化鋅(ZnCl2)、氯化銨 (NH4Cl)、二氧化錳(MnO2) 、石墨粉、澱粉等等，並加入少量的水成糊狀物質。 3.特性： (1).乾電池之電解質是糊狀物質，並非液體亦不是固體，故稱乾電池。 (2).乾電池內，離子在糊狀物質中之傳遞電荷的角色和在液體電池中導電情 形一樣，正離子游向正極，負離子游向負極。 (3).乾電池很難進行逆反應，故只能放電不能充電，且電壓比較小約為 1.5 伏 特，且隨使用時間而降低。 (4).內部之糊狀物質不易有漏液的情形，如果使用時間太長或長期不使用時， 則需檢查是否有外漏情形。 (5).用過的乾電池不可充電，可能有爆裂的危險；因為乾電池是完全密封的， 且於充電的過程中可能會產生氣體，而導致爆裂。 (6).電器內的乾電池若長時間不使用時，需將乾電池取出，放置陰涼乾燥的 地方。 (7).應經常檢查電器內之乾電池是否有漏液，如有則需將漏液擦乾淨或換新。 二.鹼性電池與太陽能電池：電池的電解液通常有酸性與鹼性兩種，因此電池可 區分為鹼性電池或酸性電池兩種。 1.酸性電池：如，碳鋅電池(氯化鋅、氯化銨)、鉛電池(硫酸)均是。 2.鹼性電池：如，水銀電池、鹼錳電池(氫氧化鈉或氫氧化鉀)均是。一般都 以氫氧化鉀水溶液為電解液，由於可產生較大電流，且電壓 維持不變，使用壽命較長，較受歡迎，但價格較貴。 3.太陽能電池：就是利用光能轉換成電能的電池。其優點是零污染，可永 久使用。 三.鉛電池：又名蓄電池，是一種能將電能與化學能反覆交互變化的使用裝置， 常見的如電瓶。
1.構造：電極為平板狀，正極為二氧化鉛板，負極為鉛板，正、負極交互 配置，中間隔以多孔性的絕緣板，如下圖。 圖一 鉛電池外表圖 圖二 鉛電池的極板配置圖 2.電解液：極板間置有濃度約 30%，密度為 1.24 公克 / 立方公分的稀硫酸 水溶液。使用後因為水分的蒸發而使得溶液密度變大，所以使 用後，得加水使其密度維持1.24 公克 / 立方公分。 3.鉛電池的放電與充電： (1)放電：用導線接上電器，正接正，負接負，電池即可放電。 負極：鉛溶解後放出電子而形成鉛離子，並與硫酸根離子形成白色的硫酸鉛沈 澱。 負極反應：Pb + SO42－ PbSO4 +2 e－ 正極：二氧化鉛得到電子與硫酸反應亦產生白色硫酸鉛沈澱與水。 正極反應：PbO2 + SO42－ + 4 H+ + 2 e－ PbSO4 + 2 H2O 放電過程中硫酸逐漸減少而水分逐漸增加，因此硫酸的濃度與密度均變小， 所以電池的電壓也隨之降低。 (2)充電：電池外接直流電源，使其進行放電反應的逆向反應。用導線接 上電器，正接正，負接負，電池即可放電。 負極： 負極的硫酸鉛得到電子而產生鉛與硫酸。 負極反應： PbSO4 +2 e－ Pb + SO42－ 正極：硫酸鉛與水反應放出電子，產生二氧化鉛與硫酸。 正極反應： PbSO4 + 2 H2O PbO2 + SO42－ + 4H+ +2 e－ 充電過程中硫酸逐漸增加而水分逐漸減少，此時兩電極的質量逐漸減少。一個 鉛電池的電壓為2 伏特，若需較高電壓時，可將數個電池串聯使用。鉛電池的放 電與充電的總反應與電流流向圖如下所示。
放電 充電 四.鋰電池、鎳氫電池：過去鋰電池不能充電，但於 1991 年所開發出的可充電鋰 電池，以成為現代電子工業中的重要器材，如大哥大及 電腦中即普遍使用鋰電池。而鎳氫電池的負極採用能吸 收氫原子的特殊合金，取代過去一般常用的鎳鎘電池中 的鎘，除符合環保而且電壓穩定外，壽命亦比較長。 五.鎳鎘電池：電壓穩定、壽命長。用於停電時之預備電源與安全燈。但鎘金屬有 毒對環境有污染應避免使用。 六.電池與環保：電池的種類繁多，性能與保養方法各不相同，在購買前應多瞭 解，才可充分發揮其功能。電池的材料，性質也不相同。近年來 密閉型電池非常盛行，不論電解液多為液體或糊狀，均可達到 攜帶方便的目的。近來電子儀器的電源皆要求體積小性能佳， 如水銀電池、鋰電池、銀電池等等均作成如小鈕釦一般大小。電 池雖好用，但其內部使用的金屬或電解液多含有重金屬(如汞、 鎘)，會污染環境，應注意電池的回收，以免造成環境的污染。 <小試身手> 1.任何電池必須由正、負兩個電極與 水溶液所組成。 2.乾電池放電一段時間後，電壓會 。 3.乾電池中間的碳棒只負責 ，為 極，而外面的鋅殼則是 極。 4.電腦器材普遍使用 (1)鋰電池 (2)太陽能電池 (3)鎳氫電池 (4)乾電池。 5.永久使用且是零污染的電池是 (1)鋰電池 (2)太陽能電池 (3)鎳氫電池 (4)乾電池。 6.鉛電池放電時電解液的硫酸濃度會變 ，而充電時電解液的硫酸濃度則會變 。 7.右圖是鉛電池充電時的簡圖；試回答下列問題， (1)外加電源是 電源。 (2)甲端是 極；乙端是 極。 (3)A 的變化是 變成 。 (4)B 的變化是 變成 。 (5)電池的化學能是增加或減少？
8.將鋅銅、鉛、乾、鋰、太陽能、鹼性、鎳氫、鎳鎘等電池填入空格中： (1)無污染公害的是 。 (2)外型與乾電池相似的是 。 (3)重污染被多國限制使用的是 。 (4)取代鎳鎘電池的是 。 (5)普遍用於電腦的是 。 (6)使用於汽車的是 。 (7)便宜又普遍的是 。 (8)伏打發現的是 。 9.汽車所使用的鉛蓄電池，若其電壓是 12 伏特，則其內的蓄電池是 (1)並聯 6 個 (2)並聯 12 個 (3)串聯 6 個 (4)串聯 12 個。 10.關於鉛蓄電池的敘述，何者錯誤？ (1)將數個鉛蓄電池並聯，可得 較高之電壓 (2)正極為二氧化鉛，負極為鉛 (3)放電後兩極皆變成 硫酸鉛 (4)充電時，電子自鉛電池的正極經導線流回外電源的正 極。 11.鉛電池中正、負極交互配置時 (1)負極與負極相連，正極與正極相連 (2)正極 與負極相連 (3)正極與負極交連 (4)正、負極混連。 12.乾電池放電時，電子由 (1)鋅經外電路至碳棒 (2)鋅經內電路至碳棒 (3)碳棒經 外電路至鋅 (4)碳棒經內電路至鋅。 14-3 直流電與交流電 你我常用的乾電池、鉛蓄電池所產生的電流都只有單向的流動。然而家庭所使 用的電原則是流動方向不斷改變的電源；以台灣而沿此類電源是每秒鐘電流方 向改變120 次，或稱頻率為 60 赫 / 秒。所以我們所使用的電源有兩種，一是直 流電另一是交流電。 一.直流電源(DC)：先前章節所提到的乾電池、鉛電池等等，標示有固定的正、負 極。其輸出固定方向電流的電源，可用簡單的直流電路說明， 如下圖。一般而言，正極以紅色代表；而負極以黑色代表。 <Note>：使用直流電時，要注意所使用的電池型號與電池數目，特彆注意是否 正、負極的接法正確。
直流電源有正負極且 直流電之電流-時間圖 電流方向固定不變 二.交流電源(AC)：電力公司提供給我們的電源則是交流電，如家裡的電源插座， 並沒有像乾電池一樣標示正、負極。其輸出電流的方向不固定 可用發電機輸出的電流來說明；簡單原理乃是當線圈每轉 180 度時，發電機所輸出的電流方向就換一次，且是規律性 的變化。以台灣為例，交流電之正負極交換頻率是 60 赫 (Hz、1 / s)，即每秒交換 60 次。如下圖。 交流電源無正負極但 交流電之電流-時間圖 電流方向、大小均會改變 <Note>：日常生活中，應用直流電的地方比較多，表面上很多的電器都是使用 交流電，如電腦、收音機等等雖然接家庭用的交流電，但事實上，交流 電進入電器後馬上被改為直流電，而手電筒、汽車上的電器更是直接由 乾電池、鉛電池提供直流電。 三.變壓器與整流變壓器：雖然直流電比交流電更早發明，但現在的商業用電都 是使用交流電。 1.變壓器：交流電源所以變成供電的主要方式，其原因是交流電可以用簡 單的方式改變其供應電壓；而改變電壓的裝置，即是變壓器。可 常見於電線桿上，其簡易結構圖， 如下圖所示。
(a)變壓器的變壓原理：一般交流電用的變壓器是由鐵蕊和繞在鐵蕊上 的兩組線圈組成，如上圖。其中輸入交流電的線 圈稱為原線圈，而輸出交流電的線圈稱為副線圈 利用改變原線圈與副線圈的圈數比，來改變輸出 的交流電壓大小。關係式如下： V1 ： V2 = N1 ： N2 V1，V2 分別表示原線圈與副線圈兩端的電壓。 N1，N2 分別表示原線圈與副線圈的匝數。 (b)整流變壓器：除了可將家用的交流電變成直流電外，並可同時將電 壓由110 伏特降壓至 9 伏特或更低，以提供各式電器產品或電子儀 器如收音機、隨身聽等所需要的各種不同電壓使用。 <補充>：於先前的章節的曾提到電解、電鍍反應，其反應過程中所使用的電源 均是用直流電，若於電解水的反應中以直流電換成交流電時，其結果差異如下： 直 流 電 交 流 電 正極產物 氫氣、氧氣 氫氣、氧氣 負極產物 氧氣 氫氣、氧氣 正負極產物體積比 1：2 1：1 四.直流電與交流電之比較： 直 流 電 交 流 電 電流磁效應 1.導線周圍的磁針偏轉 2.螺線形線圈通電不會吸引 迴紋針 1.導線周圍的磁針不偏轉 2.螺線形線圈通電會吸引迴紋 針 電 極 正、負極固定不變 正負極規律變化 電 解 水 1.正極產生氧氣，負極產生 氫氣 2.體積比是 1：2 1.正負極均產生氫氣、氧氣 2.體積比是 1：1 電 壓 固定(但隨時間增加而降低) 不固定呈週期變化(每秒正負 極交換120 次) 電 流 固定(但隨時間增加而降低) 不固定呈週期變化(每秒正負 極交換120 次) <小試身手> 1.AC 符號的意義是 (1)伏特計 (2)變壓器 (3)交流電 (4)直流電。
有時會有時不會 (4)不一定。 3.利用交流電做電流磁效應時，導線附近的磁針是否會偏轉？ (1)會 (2)不會 (3) 有時會有時不會 (4)不一定。 4.CD 隨身聽必須加裝 來改變電壓及電流的輸出方式。 5.變壓器是利用 的原理來改變交流電之電壓。 6.交流發電機乃是利用線圈每轉 度來改變輸出的電流方向一次。 7.有關變壓器的敘述，下列何者正確？ (1)可改變直流電壓 (2)可改變電阻大小 (3)可改變交流電壓 (4)可改變電流方向。 8.下列哪些是整流變壓器的功能？ (1)改變直流電壓 (2)改變電阻大小 (3)改變交 流電壓 (4)改變電流方向。 9.交流發電機每轉一周，感應電流的方向改變 次。 10.使用交流電源時，普通的燈泡是否會閃爍不定？ 11.欲將輸出的交流電電壓增加，則原線圈的圈數必須 於副線圈的圈數；欲將 輸出的交流電電壓減小，則原線圈的圈數必須 於副線圈的圈數。 12.交流電的頻率為 60 赫(Hz)，則交流發電機每分鐘轉動若干圈？ (1)60 (2)120 (3)3600 (4)7200。 13.要使電燈發光，可以使用下列何種電源？ (1)交流電 (2)直流電 (3)交、直流電 均可。 14-4 電流的熱效應 於先前的章節，曾提到電流三大效應中的電流磁效應、電流化學效應，於本章 節中將介紹電流熱效應。游泳過後，頭髮濕了，只要用吹風機插上插座，吹風機 的馬達就會轉動風扇，並吹出一陣陣熱風將你的頭髮吹乾。衣服皺了，可利用電 熨斗弄平它；日常生活中有太多電能轉換成熱能的裝置，這極是本章節的內容 電流的熱效應。 一.電流的熱效應：當電流通過電阻器，會使電器發熱，這就是電 能轉換成熱能的現象，稱之為電流的熱效應。家庭電器中 如電爐、電熱水爐、電熨斗、電鍋、電熱器、電燈泡等等皆 是利用電能轉換成熱能。而這些產生高熱的電器，大都是 使用電流通過高電阻材料，如鎳鉻絲、鎢絲等來產生光和 熱。 二.常見的能量及其單位： 1.種類： (1).電能：電流通過電路時對電器所提供的能，稱為電能或電功。光和熱 都是能量單位。如，吹風機、電熨斗等所產生的熱，燈泡所產 生的光與熱，都是由電池或其他電源所提供的電能所轉換。
(2).化學能：利用化學反應所產生的能量。 (3).力學能：動能與位能之總稱。 2.單位：常見的能量單位有卡(cal)、焦耳(J)與度(千瓦-小時) 1 卡(cal) = 4.18 焦耳 1 度 = 1 千瓦-小時 = 3.6 x 106焦耳 3.電路中的能量轉換：先由電池內部發生化學變化，將化學能轉 換成電能釋放出來；導線中的電荷受到電池的推動而沿著電路 流動，流動的電荷帶著電池所提供的電能，經過導線時被轉換 成些許的熱能(但因為電阻小，所以產生的熱能較小)；當電能 經過燈泡或電器時，再轉換成熱能與光能。在上述的電路中， 電荷並沒有消失，但電池的電能逐漸消耗，所以，電池放電一 段時間以後，其所儲存的電能逐漸降低終至無法使用，必須更 換。 三.電能的計算： 1.電壓：單位電量所攜帶的電能即是電壓。所以， 電壓(V) = 電能(E) / 電量(Q) V ＝ E / Q 亦可轉換成 E ＝ QV 其常用單位如下： 電能 焦耳(J) 電量 庫侖(Q) 電壓 伏特(V) 2.電能的計算：如右圖的電路圖中 ，於ab 導線間通過的電流為 I 安培， 而ab 間的電壓為 V 伏特。在 t 秒內， 通過電阻的電量為Q = It。則：可知 Q 庫侖的電量於 ab 間所釋放出的電能有 E 焦耳，所以，E = QV = IVt = I2Rt = V2t / R 3.電壓(V)、電量(Q)、電能(E)三者之關係： (a)當電壓一定時，電量與電能成正比關係。 (b)當電量一定時，電壓與電能成正比關係。 (c)當電能一定時，電壓與電量成反比關係。 四.三大效應的比較： 能量轉換 能量轉換方法 應 用 熱效應 電能熱能 電流通過電阻所產生的熱 電熱器、電爐 磁效應 電能磁能 電流通過導線，於其周圍產生磁場 馬達、電磁鐵 化學效應 電能化學能 電流通過電解質水溶液時所產生的 化學變化 電鍍、電解
1.一電熱器接於 100 伏特的電源上，通過的電流為 10 安培，求通電 1 小時，共 釋出多少電能? 2.一電熱器接於電壓為 200 伏特的電源上，而通過該電熱器的電流為 10 安培， 試問通電20 分鐘，該電器將多少電能轉換成熱能? 五.電功率：當我們說燈泡很亮的時候，所指的不單單指是燈泡消 耗多少電源提供的電能，還包括消耗這些電能時間的長短。換句話 說，燈泡很亮的意思，一般指的是燈泡能夠於短時間內消耗大量 的電能，並將電能轉換成光與熱。 1.定義：電路中單位時間所消耗的電能，稱之為電功率。 電功率(P) = 電能(E) / 時間(t) P ＝ E / t 2.單位：電功率 瓦特(W) 電能 焦耳(J) 時間 秒(s) 3.轉換：我們可定義每秒消耗一焦耳能量的電器其電功率為 1 瓦特，即是 瓦特(W) = 焦耳(J) / 秒(s)。亦可轉換成下列式子：E ＝ Pt。 4.範例：一盞燈泡之電功率為 100 瓦特，將其通電 20 分鐘，試問共消耗多 少電能? 5.電功率(P)的計算公式： P = E / t = IV = I2R = V2 / R <範例練習>： 1.將電功率為 50 瓦特的電風扇接在 100 伏特的電源上，試求 (a).通過電風扇的電流為若干? (b).此電風扇每分鐘消耗的電能為多少?
2.電燈泡上註明 100V、200W，試求： (a).正常使用時經過燈泡之電流為若干? (b).燈泡之電阻為多少? (c).若改用於 80V 的電路上，則電流強度及電功率各為多少? 3.老張在他的電熱水壺中裝入 1000 公克、250C 的冷水，熱水壺 標示100V、200W，將其接上 100 伏特的電源加熱，若 1 卡 = 4.2 焦耳且不計能量散失，試回答下列問題： (a).電熱水壺的電阻為多少? (b).加熱幾分鐘後，水會沸騰? 六.常見的電器標示：一般電器上面都會標示，需適當的使用電壓 及其功率，此標示的伏特數及瓦特數表示該電器兩端需 接的電壓大小， 及所產生的電功率大小。如，標示 110V、800W 的電鍋，表示若該電鍋接於 110 伏特的電 源上，則其產生的電功率為800 瓦特。若將其接於 220 伏特之電源上，則因為電源提供電功率太大，而使得電 鍋燒壞。反之，若改用較低電壓之電源，則無法提供足 夠的電功率，導致無法將飯煮熟。 七.度：是一能量單位，其單位是仟瓦-小時，即 1 度 ＝ 1 仟瓦 × 小時 ＝ 1000 瓦特 × 3600 秒 ＝ 3.6 × 106 瓦特-秒 ＝ 3.6 × 106 焦耳 <範例練習>： 1.某電熱器標示 120V、60W，試問： (1)正常使用時的電流大小是多少？
(3)使用 1 小時產生熱能多少焦耳？ (4)承(3)，所耗電能合幾度電？ 2.某電熱器標示 100V、500W，試問： (1)正常使用時的電流大小是多少？ (2)該電器的電阻是多少？ (3)使用 1 小時產生熱能多少焦耳？ (4)承(3)，所耗電能合幾度電？ 3.家中同時使用 60 瓦特燈泡 3 個、600 瓦特烤麵包機 1 台、800 瓦特的電鍋 1 個 、 180 瓦特的冰箱 1 台，若家裡的電壓是 110V，試問： (1)電源的輸出功率是多少？ (2)通過總開關的電流是多少？ <小試身手> 1.任何一個電路中，有如下的關係： (1)電量守恆：任何一段或一點，流入的電流必 流出的電流。 (2) 是守恆的：電源提升的電能必等於沿途損耗的電能。 2.某燈泡接於 110V 電源上，若經過燈泡的電流是 0.2 A，且使用 5 小時，則消 耗電能 焦耳。
3.下列單位中，何者不是功率的單位？ (1)安培2 ×歐姆 (2)伏特 ×安培 / 秒 (3)焦 耳 / 秒 (4) 伏特2 / 歐姆。 4.如右圖，將 10Ω、20Ω 的電阻串聯並與 電壓24V 的電源相連接，按下開關後， 試求： (1)電源提供的電流大小是 。 (2)10Ω 電阻的消耗功率是 W。 (3)20Ω 電阻的消耗功率是 W。 (4)電池的總輸出功率是 W。 5.如右圖，將 30Ω、20Ω 的電阻並聯並與 電壓24V 的電源相連接，按下開關後， 試求：
(1)圖中 I1＝ A，I2＝ A，I＝ A。
(2)30Ω 電阻的消耗功率是 W。 (3)20Ω 電阻的消耗功率是 W。 (4)電池的總輸出功率是 W。 6.如右圖所示，試求： (1)流經 R2的電流是 A。 (2)ab 間的電位差是 伏特。 (3)電池的輸出功率是 瓦特。 14-5 電力輸送與消耗 有沒有想過，沒有了電將會是怎樣的世界? 921 集集大地震，造成全台大停電， 那樣的生活歷歷在目，紅綠燈不亮，導致街上交通大亂，電視機停擺，電視節 目沒了，電影院的觀眾被丟在黑暗中，火車停了，困在電梯中的你急得跺腳， 開刀中的病人及醫生不知如何是好，世上的所有種種均停擺了，所於，對於身 為現代人的你我而言，或許停電是一可怕的夢魘，但不可不瞭解發電與電的輸 送過程，更應該對於節省用電有所認知。 一.電力輸送：電力公司利用水力、火力、核能等方式發電，然後 將電力輸送至各用戶，以提供用戶連接電器或工廠使用。一般 而言，發電廠多蓋在人口稀少的地區，如，水力發電廠多蓋在 山區水庫附近，而火力發電廠、核能發電廠多蓋在海邊附近。 因此，離一般用戶及工業用電的距離甚遠。而輸送電線都是以 電阻很小的銅線所做成，但因為距離遙遠，輸送線路太長，因 此在輸送的過程中電能的消耗極為可觀。可由P = I2R 知，為了
電壓，因此才可減少長途輸送時電能的消耗，故長距離的電力 輸送，多用高壓方式傳送。以台灣為例，輸電系統採用的有34 萬5 千伏特、16 萬 1 千伏特與 6 萬 9 千伏特等三種。電力公司所 屬的發電廠，利用變壓器，先將電壓提升至上述中某一電壓數 值，然後送至各地變電所降壓，再經由街道旁之電線桿或地面 上的變壓器，將電壓降至一般用戶所用的110 伏特或 220 伏特 的工業用電。 二.室內配線：電力公司供應一般家庭用的電源線共有三條，其中 活線兩條(紅線與黑線，俗稱火線)，另一條是地線(白線) ；任 一活線與地線間的電壓為110 伏特，而兩條活線之間的電壓為 220 伏特。因此三條電源線經過電錶、配電盤後，在依各種需要 接不同的電源。如： (1)一般電視機、電扇、檯燈等等電器都是使用 110 伏特雙孔插座，分別接於 地線及兩條活線中的任一條。 (2)冷氣機、電暖氣等等消耗電功率較大的電器則需使用 220 伏特的三孔插 座，分別連接兩條活線及地線。 (3)配電盤內有 A、B、C 三條電源線，其中 C 為中性線，A、B 兩條線稱為活 線；A、B 對中性線的交流電壓為 110 伏特，而 A、B 兩條活線間的電壓 則為220 伏特。如下圖所示。 三.電費計算：日常生活中，我們藉由電器用品的使用以提高生活 品質，而這些電器都需要電力公司提供電能，而電力公司為了 發電，所作的種種都需要經費，所以必須收取電費。如同買電 池一樣，依據所消耗的電能而收費。電力公司的電費計算以度 為單位，而1 度的能量即 1 仟瓦小時(kW-h)。 1 度 = 1 仟瓦小時 = 1000 瓦 x 3600 秒 = 3.6 x 106焦耳 <範例練習>：
1.一台電功率 800 瓦特的電鍋，若使用了 1 小時 15 分後，耗電多少焦耳?合多少 度? 2.若功率為 1500 瓦特的冰箱，每天使用 24 小時，一個月(30 天)共消耗幾度的電? <Note>：若家中同時使用的電器很多，則消耗的電能總數等於各電器電功率與 使用時間的乘積總和。 <範例練習>： 1.張三家有 40W 的日光燈 10 盞、800W 電鍋一個和 2000W 的冷氣機一台，若某 日家中的10 盞燈全開用了 5 小時，電鍋用半小時，而冷氣機用了 6 小時，問 今天共耗電若干度? 2.李四出國旅行 20 天，於離家時忘了關電風扇。結果家裡的電錶讀數由 1510(出 國前)，變成 1558(回國後)，問： (1).若每度的電費是 3 元，則於李四外出期間，電風扇所消耗的電費是多少? (2).電風扇的電功率是多少?
3.某機關裝有 60 瓦特電燈 10 盞、100 瓦特電燈 40 盞，若每天點燈 5 小時，且電 費每度3 元，則該機關每月 30 天需付電費多少元? 4.實驗室中的電源為 110 伏特，且電源線所能承受之最大電流為 50 安培，今有 一標示110 伏特、400 瓦特之電爐當熱源，問 (1).每使用一電爐 1 小時，需耗電幾度? (2).實驗室最多可同時使用幾個電爐，而不發生危險？ <小試身手> 1.電力輸送系統是輸送 (1)交流電 (2)直流電 (3)兩者均可。 2.電力輸送系統是 (1)先升壓，再降壓 (2)先降壓，再升壓 (3)只降壓(4)只升壓。 3.一般電廠之輸電系統常利用 輸送，最主要的目的是可以降低輸出的 ， 進而降低在輸送過程中的能量損失。 4.台灣家庭所使用的電壓有 及 兩種。 5.功率 300W 的收錄音機，若每天使用 5 小時，則每個月(30 天)的耗電量大約是 幾度？ (1)15 (2)30 (3)45 (4)60。 6.電力公司計算電費，是以用戶所使用的 (1)電流 (2)電量 (3)電能 (4)電量 來計 算。 7. 實 驗 室 的 電 源 是 110 伏 特 ， 而 電 線 的 最 高 電 流 量 是 50 安 培 ， 今 有 標 示 110V、400W 之電爐若干個；試問： (1)一個電爐使用 1 小時，消耗 度的電能。 (2)若需同時使用多個電爐，則最多可承受 台電爐同時使用。 8.標示為 110V、40W 的電熱器甲與 220V、40W 的電熱器乙，兩者的電阻大小是
(1)甲 > 乙 (2)甲 ＝ 乙 (3)甲 ＜ 乙 (4)無法判斷。 9.承 8 將甲、乙電熱器並聯，則兩電熱器發熱的電功率大小是 (1)甲 > 乙 (2)甲 ＝ 乙 (3)甲 ＜ 乙 (4)無法判斷。 10.瓦特是計算 的單位，瓦特－小時是計算 的單位。 11.家庭用戶的兩孔插座電壓為 伏特；三孔插座電壓為 伏特。 12.配電盤前的功率時錶是一架 ，俗稱電錶，是電力公司用來計算用戶所用 電能，作為收取電費的依據。 13.下列幾句用詞，何者不正確？ (1)買一個 9 伏特的電池 (2)買一個 5 瓦特的燈 泡 (3)買一個 100 歐姆的電阻器 (4)買一個 1 度的電鍋。 14.電力公司供應一般家庭用戶的電源線有 條，分別是 及 兩種。 14-6 家庭用電安全 一.電源：大致是上可分成交流電(AC)與直流電(DC)兩種。 (1)一般的電池，大多是直流電；其續電能力較差，但補充、更換、攜帶方 便，如，收錄音機、行動電話等等。 (2)家庭電器的電源通常來自電源插座，是以交流電做為電源，如電視機、 電扇、馬達、冷氣機等等，多用110V、220V 的交流電源。 (3)有些電器是交、直流電同時可以使用，可藉著整流變壓器，使其兩者通 用。 二.常見的電路問題： (1)通路：於電路圖中，可形成一封閉迴路者，如圖一。 (2)斷路：於電路圖中，無法形成一封閉迴路者，如圖二。 圖一 圖二 圖三 (3)短路：於電路圖中，電流之流動找到一條幾乎沒有電阻之路線，使得電 器中沒有電流經過，導致電器無法啟動，如圖三。
1.短路現象：當發生短路現象時，電路上的電器不會消耗電能，而導致電流過 大，其能量均被導線與電源給消耗，因此導線與電源均會發熱， 且電源的能量迅速被用完。 2.短路發生時的保護措施：發生短路時，電源仍源原不斷而來，必定會因高熱 而造成危險，因此家用電源都有其保護措施，如保險 絲或使用無熔絲開關(NFB)。 3.常發生短路的地方：插頭與電源線相接的地方或者電源線與電器相接的地方。 三.電線最大載流量：電線所能承受之最大電流量。 (1).家庭電器都採用並聯方式，若同一電源線或同一插座上接連太多電器。即 使，總電源處的電線已接用較粗的導線(電阻較小)，但流經電線的總電流， 仍有可能超過其安全負載電流，使得溫度急速上升，而發生危險；既使 ， 未超過其安全負載電流，但長期使用的結果，亦可能使絕緣外皮脫落而 發生短路。 (2).如何避免電流過大的情形： (a)使用較高電壓的電器，由 P = IV 可瞭解，當電壓變大時，即可降低電 流，同時冷氣機是單獨連接至總開關，不與其他電器並聯。 (b)在電器電路中，加裝適當的保險絲。 四.保險絲和無熔絲開關： (1).保險絲：防止因過大的電流熱效應所引起的火災，並為保護電器免於損壞 的一種安全裝置。 (a)是一種易熔化的金屬合金線，熔點低、電阻稍大。 (b)通常電源或電器串聯，必須串聯在活線上，或者兩線都接保險絲。 (c)發生短路產生巨大電流時，保險絲立刻因受熱熔化，使電路中斷，即所 謂的斷路；進而保護電器。 (2).無熔絲開關：是一種特別設計的開關，若電流大到某一限定值時，會自動 跳開而形成斷路。 五.家庭用電安全須知： (1).安裝正確數值的保險絲或無熔絲開關。 (2).身體或站立處潮濕時，不可觸摸電器。 (3).同一插座或延長線不可同時連接過多的電器。 (4).不可用拉扯電線方式拔出插頭。 (5).無人時，所有開關均全部關閉，以節約能源。 (6).長時間不使用的電器，應拔除其插頭。
(7).插座不可安裝在靠近水源或熱源處。 何謂觸地： 又稱為電擊。當你一隻手接觸活線時；另一隻手接觸地線時，電流就會通過你 的身體，使你遭受即危險的電擊。 <範例>： 1.在 110 伏特的電路上，連接一條 15 安培的保險絲，問最多可並聯 60 瓦特的電 燈幾盞? 2.家中有 110V、220V 兩種電源，總開關處裝有一 30A 的保險絲，若家中有 40W 的電燈10 盞、500W 電鍋 1 個、400W 電冰箱 1 臺、60W 電扇 3 臺、150W 電視 1 台及1500W 冷氣機一台，除冷氣機為 220V 外，其餘均使用 110V 的電壓，問： (1).冷氣機使用 3 小時，用電幾度? (2).若同一時間，所有電器同時使用，則電源的輸出功率為多少? (3).承(2).此時，保險絲是否會熔斷? 3.下列三電路中，判斷哪個燈泡會亮？哪個燈泡不會亮？並說明之。 (1)電路 A 中，亮的是 號燈泡，不亮的是 號燈泡，理由是 。 (2)電路 C 中，亮的是 號燈泡，不亮的是 號燈泡，理由是 。
<小試身手> 1.使用家庭電器或家庭用電常見的危險是 (1)通路 (2)斷路 (3)短路 (4)跳電。 2.家中的無熔絲開關適用來代替 (1)變壓器 (2)保險絲 (3)電錶 (4)電磁爐。 3.當你發現了電線走火的現象，首先應採取何種步驟？ (1)用水澆熄(2)打 119 (3) 請人幫忙救火 (4)立刻切斷電源。 4.使用家庭電器時，下列何種事實是正確的？ (1)保險絲可用銅絲代替 (2)使用電 線愈粗愈安全 (3)把兩個電器並聯使用時，比串聯使用時電力更少 (4)把電器 並聯使用時，電器愈多愈容易將保險絲燒斷。 5.電源線所能承受的最大電流量，稱為電線的 電流。 6.下圖一中，哪些燈泡會亮？ 。 7.下圖二中，哪些燈泡不會亮？ 。 8.下圖三中，cd 為銅線，則有幾個燈泡會亮？ 。
