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第十四章 電與生活

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第十四章 電與生活

講義

14-1 伏打電池 14-2 實用的電池 14-3 直流電與交流電 14-4 電流的熱效應 14-5 電力的輸送與消耗 14-6 家庭用電與安全

(2)

第十四章 電流與磁

★14-1 伏打電池

一、 伏打電池(參閱課本90 頁)

(一)電池:利用化學作用以產生電位差的裝置,稱為電池。

即將________能轉變為_____能的裝置。

(二)伏打電池:兩種不同的金屬以導線連接,中間隔有導電的電解質溶液,便可產生電 流

,此種裝置皆稱為伏打電池。

(三)原理:如右圖。

1.電子由活性大的金屬 A 經導線流向活性小的金屬 B。

2.金屬活性大的 A 為負極,活性小的 B 為正極。

3.電解液中的負離子 C 游向負極,正離子 D 游向正極,

因離子的移動,而形成完整的電流。

二、 鋅銅電池:以鋅、銅當電極的伏打電池,如右圖。

(一)電極:以活性大的鋅當負極,以活性小的銅當正極。

(二)正、負極的溶液:以金屬鹽類的溶液為主,如正極銅即 以硫酸銅(CuSO4)為其溶液,負極則以 硫酸鋅(ZnSO4)為溶液。

(三)鹽橋:把兩種隔離的溶液聯繫起來的U 形裝置,同時使 電池維持電中性。鹽橋內裝易解離的鹽類水溶液,

如硝酸鉀(KNO3)、硝酸鈉(NaNO3)等。

*不能與燒杯內的溶液或電極產生反應的物質才可以。而兩端塞入棉花的目 的也是為了防止管中的液體流到燒杯中。

(四)鋅銅電池的反應:

1.在鋅極上的反應:Zn Zn+2 + 2e-,所以鋅極的重量減輕,Zn+2的濃度增加。

2.在銅極上的反應:Cu+2 +2e- Cu,所以銅極的重量增加,Cu+2的濃度減少,溶液 顏色變淡。

3.總反應:Zn + Cu+2 Zn+2 + Cu

(五)電流的流動方向:

1.外電路:電子由鋅板(負極)流經毫安培計,進入銅板(正極)。

2.內電路:水溶液靠離子傳遞,每個 Zn 變成 Zn+2溶入溶液中,使其吸引鹽橋中的 NO3-離子流入甲杯中;同理,每個Cu+2離子形成Cu 時,便有 K+流入乙 杯中,因此保持各杯中的電中性。

(六)通電一段時間後,藍色的硫酸銅水溶液漸漸變淡,同時毫安培計讀數也愈來愈小。

這顯示出電池產生電流時,銅離子的濃度漸漸變小,電流也跟著變小。

【自我挑戰】

1. 如右圖所示,鹽橋連接硫酸鋅與硫酸銅溶液,試回答下列問題:

(1) 鋅板為_____極,銅板為_____極。(填正或負)

(3)

(2) 電子流的方向由_____板 導線 毫安培計 _____板。

(3) 通常鹽橋中,必須裝的溶液是_____解離的鹽類溶液。(填易或不易)

(4) 鹽橋的作用是__________及___________。

(5) 反應後鋅板重量漸_______,而銅板重量漸______。(填增或減)

(6) 硫酸銅溶液由_____色漸漸變_______(填深或淡)。

(7) 寫出左邊燒杯的半反應式:____________________________。

(8) 寫出右邊燒杯的半反應式:____________________________。

(9) 寫出全反應式:____________________________。

(10) 電池使用幾分鐘後,電流將__________(填增大、減少或不變)。

2. 如右圖所示,圖中英文代號如下:(A)安培計,(B)電池組,

(C)0.1M 硝酸銀溶液,(D)0.1M 硫酸銅溶液,(E)、(F)燒杯,(G)、

(H)電子流動方向,(S)鹽橋;試以代號回答下列問題:

(1) 測量銅-銀電池的強度,圖中哪一個裝置是不必要的?____

_____。

(2) 將不必要的裝置取掉後,還有哪兩個地方是錯誤的?

3.某電池總反應為:Zn + Fe+2

Zn

+2

+ Fe,試回答下列問題:

(1) 其中負極為_____,正極為______。

(2) 外電路中,電子由_____經導線流向_____。

(3) 寫出負極的反應式:_____________________。

( )4.鋅-銀電池放電前,鋅片與銅片總質量為 m,在放電過程中,下列何圖可用來表示兩極 總質量 的變化?

(原子 量:

Zn=65,

Ag=108

(4)

★14-2 實用電池

※任何電池都是由正、負極與電解質水溶液所構成。

一、乾電池

(一)正極:中間的碳棒

(二)負極:外殼的金屬鋅

(三)電解質:石墨、二氧化錳、氯化銨、澱粉及少許水混合成的糊狀物。

(四)優點:體積小、攜帶方便,且電解液不易外漏。

(五)缺點:初期電壓為1.5 伏特,隨後逐漸降低,且輸出電壓不夠穩定。

二、鹼性電池(電解液為鹼性者,目前多指鹼錳電池)

(一)電池結構:大致與乾電池相似,但以氫氧化鉀為電解液。

(二)優點:體積小、攜帶方便、電解液不易外漏;產生較大的電流;電壓較穩定;壽命比 較長。

(三)缺點:比傳統的乾電池貴、不可充電重複使用。

三、 充電電池

(一)鉛電池:一個鉛電池的電壓約為2 伏特。

1.正極:二氧化鉛 2.負極:鉛

3.電解液:稀硫酸

4.放電:電子由鉛移動至二氧化鉛,兩極皆變為硫酸鉛(PbSO4)

(1) 硫酸逐漸減少,水份逐漸增加,故硫酸水溶液濃度漸小,密度也變小,電池 電壓隨之變小。

(2) 兩極板的質量增加。

5.充電:將電池與外電源相連,外電源的正極接電池的正極,外電源的負極接電池 的負極。

(1) 電子自外電源的負極流入鉛電池的負極,自鉛電池的正極流回外電源的正極。

(2) 負極的硫酸鉛恢復為鉛,正極的硫酸鉛恢復為二氧化鉛。

(3) 硫酸的濃度與密度均變大。

(二)鋰電池:電腦中普遍使用鋰電池。

(三)鎳鎘電池

1. 優點:電壓穩定、壽命長。

2. 缺點:鎘是有毒金屬,有些國家已立法限制其使用。

3. 用途:廣泛使用於停電預備電源及安全燈。

(四)鎳氫電池:負極採用可吸收氫原子的合金,取代鎳鎘電池中的鎘,較符合環保的 要求,且能儲存較高能量。

四、 電池的保養與回收

【自我挑戰】

( )1.鉛電池充電時,線路接法下列何者正確?

(5)

( )2. 下列有關電池的敘

述,何者錯誤?(A) 它是將電池內的電能轉變為化學能 (B)汽車用之電池電壓為 12 伏特,需 6 個鉛電池組串 聯 (C)在鋅銅電池中的鹽橋作用是離子傳遞電荷,以保持電池各部分都呈電中性 (D)乾 電池常以中間的碳棒為正極,鋅外殼為負極。

( )3.鉛電池中的 X 極是由二氧化鉛平板串聯而成,Y 極是由鉛板串聯而成,當導線接通時,

其電流方向,下列何者正確?(A)X 極 導線 Y 極 電池內部 X 極 (B)X 極 電池 內部 Y 極 導線 X 極 (C)Y 極 導線 X 極 電池內部 Y 極 (D)Y 極 電池內部 X 極 導線 Y 極

4.乾電池外殼的金屬鋅做為_____極,中間的碳棒做為______極。

5.電池的原理是將_____能轉變為_____能。

6.右圖是鉛電池的簡圖,電路中電子 e 的流動方向如圖所示,試回答下列問題:

(1)圖中電池的正極為______,負極為______。

(2)甲的材料為________,乙的材料為__________。

(3)電解液丙為_________。

(4)電池正在放電或充電?_______,

電池的化學能增加或減少?________。

(5)甲電極反應生成_________,乙電極反應生成__________。

(6)電解液濃度逐漸_______;電池的電壓逐漸________。(填變大、變小或不變)

7.右下圖是想利用鋅銅電池來使利用過的鉛電池恢復供電能力;其 A 極串聯平板狀二氧化鉛,

B 極串聯平板狀的鉛,則:

(1) 使電力恢復供電能力的手續稱為_________。

(2) 鋅銅電池的鋅棒為_______極。

(3) 鉛電池的 A 極為______極。

(4) 要使鉛電池充電,則鉛電池的 A 極要接在鋅銅電池 的______棒上,B 極應接在_____棒上。

(5) 充電時,電子的移動方向為:由____極流向_____棒

,再由____棒流向_____極。

(6)

★14-3 直流電與交流電 一、電源的種類

(一)直流電:簡記為DC,如乾電池、鉛電池、鋰電池等。有正、負極之分。

(二)交流電:簡記為AC,無正、負極之分。

二、直流電、交流電的比較

直流電(DC) 交流電(AC)

標有正、負極 沒有正、負極之分

電流方向固定,由正極流向負極 臺灣提供的交流電每秒60 次來回變換電流的方 向

可產生電流的磁效應(指針偏轉、吸引鐵屑) 無法產生電流磁效應 可產生電流化學效應(電解、電鍍) 可產生某些電流化學效應

可使電器產品正常運作 可使電器產品正常運作

三、直流電源比交流電源更早發明,但商業用電都是使用交流電源,其中最主要的原因是交流 電可以用簡單的方式改變供電電壓。

(一)一般交流電用的變壓器是由鐵芯和繞在鐵芯上兩組線圈組 成,如右圖所示。

(二)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。

(三)改變原線圈和副線圈的圈數比,可改變輸出電壓的大小。

(四)現在多使用整流變壓器,可使交流電變成直流電,並提供各種電器用品所需的各種 不同電壓。

【自我挑戰】

( )1.下列何者不是使用電池必須注意的事項?(A)電池的型號 (B)電壓的大小 (C)正、負極的 接法 (D)廠牌的大小。

( )2.想要將電力公司 110V 的交流電,變成隨身聽用的 3V 直流電,必須使用以下哪一個器 材?(A)變壓器 (B)整流器 (C)整流變壓器 (D)任何器材都無法做到。

( )3.商業用電都是交流電源,最主要的理由是(A)交流電好用 (B)交流電可以用簡單方式改變 電壓 (C)交流電容易產生 (D)使用交流電的電器用品較多。

4.一般電池提供的電源為__________;而發電廠所提供的電源則為_________。(填直流電或交 流電)

5.右圖是同一個線路上,串聯一個燈泡、一個電磁鐵,一個電解水裝置,並將 兩個磁針 A、C 放在導線上方,當開關 S 接通後,結果:

(1)A 磁針________;C 磁針________(填偏向東、偏向西、偏向南或 不偏向)

(2)B 燈泡會不會亮?______

(3)D 試管是否有氣體產生?______;若有,為_________。

(4)E 試管是否有氣體產生?______;若有,為_________。

(5)F 電磁鐵______吸引迴紋針。(填會或不會)

(7)

6.承上題,將電池改為交流電源,則其結果為:

(1) A 磁針________;C 磁針________(填偏向東、偏向西、偏向南或不偏向)

(2)B 燈泡會不會亮?______

(3)D 試管是否有氣體產生?______;若有,為_________。(填氫氣、氧氣或氫氧混合氣體)

(4)E 試管是否有氣體產生?______;若有,為_________。(填氫氣、氧氣或氫氧混合氣體)

(6) F 電磁鐵______吸引迴紋針。(填會或不會)

(8)
(9)

★14-4 電流的熱效應

一、電流的熱效應:電流通過電阻器時,會使電阻器產生光或熱,這是____能轉換成____能的現象,稱 為電流的熱效應。

例如:1.吹風機是將電能轉變為熱能及動能。

2.電熨斗是將電能轉變為熱能。

3.燈泡是將電能轉變為熱能。

二、電能

(一)能量的單位:計算能量的單位有兩種,一種為「卡」;另一種 為「焦 耳」。彼此間的關係為: 1 焦耳(J)=0.24 卡 (cal)

(二)電路中能量的轉換

1.電池內部發生化學變化,將化學能轉換成電能。

2.電荷攜帶電能經過導線,電能被轉換成熱能。

3.電荷攜帶電能經過燈泡,電能轉換成為光和熱。

4.電荷並沒有消失,只是電能消耗在燈泡和導線上。

5.電能消耗後,由電池補充,直到電池的化學能也完全消耗用盡為止,此時必須更換電池。

(三)電能的計算

1.第 11 章所學電流與電量的關係及歐姆定律:

I(電流) = Q(電量) / t (時間) (單位 I:安培;Q:庫倫;t:秒)

R(電阻) = V(電壓) / I(電流) (單位 R:歐姆;V:伏特;I:安培)

2.當電池與燈泡串聯時,電池的電壓越大,燈泡越亮,消耗的電能越大,其消耗的電能為:

E(電能) = Q(電量) ×V(電壓) (單位 E:焦耳;Q:庫倫;V:伏特)

3.綜合(1)、(2)可得:

E=QV=IVt=I2Rt=V2t/R

(四)電功率:單位時間內消耗的電能

P(電功率) = E(電能) / t(時間) (單位 P:瓦特;E:焦耳;t:秒)

P = E/t = IV = I2R = V2/R

(五)電功率越大代表電器每秒消耗的電能越大,不是電量越大。

(六)電流流過不同的電阻器時:

1.當電阻串聯時:電阻越大,則單位時間內產生的熱量越多。

2.當電阻並聯時:電阻越小,則單位時間內產生的熱量越多。

(七)一般的電器用品皆標有適當使用的電壓和它的功率。如右圖所

示,此電鍋必須接在______V 的電源上,每秒產生_______焦 耳的熱量

(八)電阻在電流熱效應中扮演的角色非常重要,燈泡中的鎢絲及保 利綸切割器的鎳鉻絲,都是利用電流流過高電阻的材料時,產 生高溫。

【練習題】

1. 某燈泡接在 6V 的電源上,測其電流為 2A,則:(1)該燈泡的電功率為多少?(2)5 分鐘內共消 耗多少電能?

(10)

2. 有一標有 110V,220W 的電熱器,求:

(1)此電熱器的電阻大小?

(2)若接在 110V 的電壓上,測得電流大小?

(3)承上題,20 秒後產生多少熱能?

(4)若改接在 220V 的電壓上,則電熱器所消耗的電功率是多少?

【自我挑戰】

1.電流通過電阻器,會使電阻器產生_____和_____,這是電能轉換成_______的現象,稱為電流的_____。

2.一霓虹燈座上註明 200V、100W,試求:

(1)正常使用時,應連接______伏特的電源。

(2)正常使用時,此霓虹燈的功率是_______瓦特,電流是______安培,電阻是______歐姆,每秒產生 的電能是______焦耳,且通過霓虹燈的電量是______庫倫。

(3)若將霓虹燈連接至 100V 的電源,則此霓虹燈的電阻是_______歐姆、電流是_______安培、功率是_

______瓦特、每秒產生的電能是______焦耳、每秒通過霓虹燈的電量是_________庫倫。

3.在右圖中,當通電一段時間後:(R1>R2>,R3> R4) (1)電阻 R1、R2哪一個通過的電流較大?_____;

哪一個產生的熱能較多?_____。

(2)電阻 R3、R4哪一個電位差較大?______;

哪一個產生的熱能較多?_____。

4.兩個燈泡串聯後與一電池相連,如右圖。則:

(1)電流流經 A、B、C 三點的電能以_____最大。

(2)在 A、B、C 三點線路中,流經何者的電荷數最多?_______

(3)在此線路中能量的轉換為_______能 _____能 _____能。

(11)

★14-5 電力輸送與交換 一、電力輸送

(一)發電廠將電力輸送出來,因為輸送線路有電阻存在,因此必須考慮電能的損失。

(二)為了減少電能的損失,必須提高電壓。因為對同一功率P=IV 而言,電壓愈高,電流愈小,

如此電流在線路上損失的電能I2R 也愈小,故為了減少長途輸送時電能的損耗,電力公司都 會使用變壓器升高電壓,以減小線路電流。

(三)臺灣輸電系統採用34 萬 5 千伏特、16 萬 1 千伏特和 6 萬 9 千伏特三種高壓電。

(四)電力公司輸送順序:

發電廠 一次變電所 二次變電所 電線桿或地面變壓器 家庭用

(五)在臺灣家庭用的電壓有_______伏特和______伏特兩種。

(六)電力公司供應一般家庭用戶的電源線共有三條,參考右圖,其中C 為地線,A、B 條線(稱為活線),對地線的交流電壓為 110 伏特,

而A、B 兩條線間的電壓為 220 伏特。

(七)電力公司三條電線經過電錶、配電盤後,依據用戶需要,分配110 伏特、220 伏特的電源,再 連接至室內插座。

二、電費的計算

(一)電力公司計算電費是以「仟瓦小時(kWh)」為單位。是能量的單位。

(二)1 仟瓦小時(俗稱 1 度)相當於功率為 1 仟瓦特的電器使用 1 小時所消耗的電能。

1 度=1 仟瓦小時=1000 瓦特 ×3600 秒=3600000 焦耳

(三)影響電費的因素有兩個:一為電器的耗電功率;另一為耗電時間。

【練習題】

1. 學校教室裝有 20 瓦特電燈 4 盞,60 瓦特電燈 20 盞,每天點燈 5 小時,若電費每度 3 元,求:

(1)每天電燈消耗多少電能?

(2)每月(30 天)必須繳多少元的電費?

2. 小軒 家中冷氣機標示為220V、3000W,若每天開機 4 小時,試求:

(1)一個月(30 天)消耗多少度電?

(2)該電量可提供 800W 的電鍋使用多少小時?

【自我挑戰】

110V 220V

(12)

1. 電力公司通常會提供輸送電壓以減少電能的損失。右圖是假設電力公司、用戶之間的電線電阻是固定 值,試回答下列問題:

(1)若電力公司的輸出功率為 33000 瓦特,則當電壓為 110 伏特時,電流為____安培。

(2)承上題,電線每秒消耗的電能為_______焦耳。

(3)若電力公司的輸出功率不變,電壓改為 11000 伏特,電流為_______安培。電線每秒消耗的電能為_

______焦耳。

(4)故電力公司以_____電壓送電較節省能源。(填高或低)

2. 一般家庭室內電壓為 110V,今有電鍋(110V、800W)、電熱器(110V、500W)、電熨斗

(110V 、400W)

各一個,若同時插於插座上使用,則:

(1) 此三電器是以________連接。(填串聯或並聯)

(2) 流經插座之總電流為_______安培。

(3) 若全部使用 2 小時,相當於用電______度。

(4) 每個月使用 15 天,每度電為 3 元,則一個月必須負擔________元。

3. 孝安 家的冷氣機使用110 伏特的電源,其功率是 1200W,若此 冷氣機的專用電錶在7 月 6 日和 7 月日的讀數如右圖所示,則:

(1) 在此段期間該冷氣機共用電_____度。

(2) 在此段期間該冷氣機共運轉了_______小時。

(3) 電錶的功用是用來計算(A)通過電器的總電流 (B)通過電器

的總電壓 (C)使用電能的多少 (D)通過電量的大小。 答:_________

4. 右表是吹風機的電器標示,小明暑假到香港旅遊,香港地區所使用的電壓為 220V。若要吹風機能正 常使用,則小明應該帶哪一種變壓器?輸入:______V,輸出______V。

(13)

★14-6 家庭用電安全 一、電路

(一)通路:電源與電器連接成封閉迴路,使電器中有電流流通的電路,如下圖(一)。

(二)短路:當電器與導線並聯時,因導線電阻很小,電流不經電器而由導線通過,使電器無法正 常使用,稱為短路,如下圖(二)。

(三)斷路:因開關未開或是導線斷裂,甚至電器故障,使得電路不通,稱為斷路,如下圖(三)。

二、家庭電路

(一)家庭一般兩孔插座是110V 的電源,其中一孔接 110V 的活線,另外一孔接地線。

(二)冷氣機使用的三孔插座,其中兩孔接活線(110V 及-110V),另外一孔接地線。

(三)家庭中各個插座是______電路。(串聯或並聯)

(四)一般家庭電器最容易發生短路的位置:

1.插頭和電源線相接的地方 2.電源線和電器相接的地方。

三、安全負載電流及保險絲

(一)電線所能承受的最大電流量,稱為電線的________________。

(二)為了避免流經電線的電流過大,可在電器或電路中加裝保險絲(其符號為 )。

(三)保險絲的性質:

1.電阻比導線稍大。低熔點、易熔化的金屬合金線。

2.保險絲通常和插頭或電器的活線部分串聯在一起。

3.選擇保險絲的電流限定值,必須以接近但小於安全負載電流的大小為原則。

(四)無熔絲開關:當開關形成通路時,若電流大到某一限定值,它就會自動跳開至斷路,此時只 要再按下開關,便可重新接成通路。

五、 家庭用電及注意事項(參考課本第120 頁)

【自我挑戰】

1.電池、燈泡、導線連接如右圖所示,試回答下列問題:

(1)圖中,三個燈泡甲、乙、丙,哪些會亮?________

(2)下列哪一段是短路?(A)ef (B)ab (C)cd (D)bg 。答:_____

(3)承上題,哪一段是斷路?(A)ef (B)ab (C)cd (D)bg 。答:_____

2.若由戶外通入電壓為 110V 的電源,其電流須先經過容納 5A 的保險絲,今於住 宅內有55W 的電燈 9 盞,各燈彼此間並聯,試回答下列問題:

(1)流經各燈泡的電流有_______安培。

(2)流經保險絲的電流有_______安培。

(3)保險絲會不會熔斷?______。

3.如右圖,A、B、C 三個完全相同之燈泡,試回答下列問題:

(1)若開關未按下,當電壓逐漸升高時,_____燈泡先燒燬。

(2)今欲在 DE 之間連接一保險絲,則保險絲應與線路____聯。

(3)設 DE 間保險絲最大負載電流為 2 安培,V 處接 10 伏特電壓,三燈泡總電阻 為8 歐姆,按下開關 K,則 DE 間保險絲是否燒斷?______。

參考文獻

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