基本電學量——電荷、電流、電壓、功率和能量

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在電氣和電子電路中，有五種主要的電學量用於分析電路。這些量是**電荷、電流、電壓、電功率**和**電能**。在本文中，我們將詳細瞭解這些量。

什麼是電荷？

**電荷**，或簡稱為**荷**，是亞原子粒子（如質子和電子）的屬性。電荷用符號Q或q表示，單位為**庫侖 (C)**。

從技術上講，電荷是解釋材料電學行為的概念。因此，正是電荷構成了電存在的基礎。電荷是電路上最基本的量。

根據**物質的電子理論**，我們知道每種材料都由稱為分子的微小粒子組成，而分子又由原子組成。原子由三種基本粒子組成，即**電子、質子**和**中子**。其中，電子帶負電，質子帶正電，中子是中性的，即中子上沒有電荷。這三種粒子稱為亞原子粒子。

因此，電荷可以分為兩種型別：

• **正電荷**——由質子攜帶

• **負電荷**——由電子攜帶

在自然界中，存在的**最小電荷量**是電子攜帶的電荷，用e表示，其值為$\mathrm{1.6 \times 10^{-19}}C$。雖然質子也攜帶$\mathrm{1.6 \times 10^{-19}}C$的電荷，但它是正電荷。

電荷的兩個基本原理

與電荷相關的兩個基本原理：

• **電荷的量子化**——根據這一理論，電荷可以以基本電荷或電子電荷的整數倍出現，即

$$\mathrm{Q=ne;\:其中，n=0,1,2,..}$$

• **電荷守恆定律**——根據這一定律，電荷既不能被創造也不能被消滅。因此，對於一個封閉系統，電荷保持恆定。

什麼是電流？

**電流**定義為電荷在電場作用下定向移動。它用符號I或i表示，其中I用於表示恆定電流，i用於表示隨時間變化的電流。

數學上，電荷（電子）隨時間的流動速率稱為**電流**，即

$$\mathrm{I=\frac{Q}{t}}$$

微分形式為：

$$\mathrm{i(t)=\frac{dq(t)}{dt}}$$

其中，Q是電荷，單位為庫侖，t是時間，單位為秒。因此，電流的單位是**庫侖/秒 (C/s)**。然而，在實踐中，我們使用SI單位**安培 (A)**來測量電流。

電流的常規方向是從高電位點（正極）到低電位點（負極）。然而，電流的實際方向是電子流動的方向，即從負極到正極。

根據電流的定義，很明顯電流是由電荷或電子的流動引起的。因此，它表現出兩種基本效應，即**熱效應**和**磁效應**。這意味著當電流流過導體時，它會在導體周圍產生磁場並在導體中產生熱量。

電流型別

根據電荷流動方向的不同，電流可分為兩種型別：

• **直流電**——直流電 (DC) 是指電流僅沿一個方向流動。

• **交流電**——交流電 (AC) 是指其幅值連續變化且方向週期性變化的電流。

什麼是電壓？

**電壓**，也稱為**電勢差**，是使電荷在導體中流動的電壓力。電壓定義為將單位電荷從電路中的一點移動到另一點所需的功或能量。它用符號V（恆定電壓）和v（隨時間變化的電壓）表示。

$$\mathrm{電壓,V=\frac{W}{Q}}$$

微分形式為：

$$\mathrm{v(t)=\frac{dw}{dq}}$$

其中，W是功，單位為焦耳(J)，Q是電荷，單位為庫侖(C)。因此，電壓的單位為**焦耳/庫侖 (J/C)**。然而，在實踐中，我們用**伏特 (V)**來測量電壓。

關於電壓最重要的事實是，它本身不存在於某一點，這意味著它總是相對於其他某一點進行測量的。正因為如此，電壓也被稱為“電勢差”。在任何電路中，電壓都是導致電路中電流流動的因素。

電壓型別

就像電流一樣，電壓也分為兩種型別：

• **直流電壓**——直流電壓是指其幅值相對於時間恆定的電壓。

• **交流電壓**——交流電壓是指其極性相對於時間在相反方向變化的電壓。

什麼是電功率？

電路中能量消耗或吸收的速率稱為**電功率**。換句話說，在電路中做功的速率稱為**電功率**。它用P或p表示。其中，P用於表示**恆定**或**平均功率**，而p用於表示**瞬時功率**。

數學上，電功率由下式給出：

$$\mathrm{P=\frac{所做的功 (𝑊)}{時間 (𝑡)}}$$

瞬時功率由下式給出：

$$\mathrm{p(t)=\frac{dw}{dt}}$$

其中，W是功，單位為焦耳(J)，t是時間，單位為秒(s)。因此，電功率的單位為**焦耳/秒 (J/s)**。但在實踐中，我們使用功率的SI單位**瓦特 (W)**。

$$\mathrm{∵dw=v(t).dq}$$

並且$$dt=\frac{dq}{i(t)}$$

$$\mathrm{∴p(t)=\frac{v(t).dq}{dq/i(t)}=v(t).i(t)}$$

因此，電功率僅僅是電路元件兩端的電壓與流過該元件的電流的乘積。

在任何電路中，如果電流從正極進入電路元件，從負極離開元件，則稱該元件**吸收**功率。另一方面，如果電流從負極進入元件，從正極離開元件，則該元件**輸出**電功率。

對於任何電路，都必須滿足功率平衡方程，即

輸出功率 = 吸收功率

什麼是電能？

在電路中做功的能力稱為**電能**。電能定義為在一定時間內電路中所做的總功或消耗的總能量。

數學上，它是透過將電功率在一定時間內積分得到的，如下所示：

$$\mathrm{w(t)=\int_{t_{1}}^{{t_{2}}}p(\tau)d\tau}$$

功率的單位為瓦特，時間的單位為秒，因此電能的單位為**瓦特秒 (W-s)**。能量也用**焦耳**來衡量。

電力公司用**瓦特小時 (Wh)**來測量使用者消耗的電能，其中

$$\mathrm{1Wh = 3600\;焦耳}$$

結論

在本文中，我們討論了電荷是電路中最基本的電學量。當這種電荷流過導電材料時，會在導體中形成電流。使電荷流動的因素是電壓或電勢差。除了電荷、電流和電壓之外，我們還需要另外兩個量“功率”和“能量”來進行實際計算。功率是電路中能量消耗的速率，而能量是在電路中一定時間內所做的總功。