第十四章 電與生活

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

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）

(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

+ 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

）

★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？

（ ）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。

★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）

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）

★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？

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。

★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

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。

★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？______。