- 閃電（Lightning） 2009/08/29
閃電（Lightning）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂閃電是指大氣層的放電現象，常常伴隨著打雷(thunder)出現，尤其是在大雷雨(thunderstorm)中，有時也會在塵暴(dust storm)與火山爆發(volcanic eruptions)中出現。在大氣放電過程中，閃電光(a bolt of lightning)的運動速度約60000 m/s，並達到溫度約30000℃。
閃電大多是由雷雲(thundercloud)或稱積雨雲(cumulonimbus)所形成的，而且可以分成四種：第一種是雲內放電(intracloud discharge)，第二種是雲間放電(intercloud discharge)，第三種是雲對空氣放電(cloud to air discharge)，第四種是雲對地放電(cloud to ground discharge)。目前研究最多的是雲對地放電。
上圖為雲間閃電，較為少見。 閃電的過程複雜、機制煩多，但若簡化成四個步驟可以是：第一階段先導(leader stroke)，這時由雷雲對下方空氣放電，此時肉眼看不見。第二階段階梯先導，這時接續在第一階段先導的尾端，分叉再對下方空氣放電，此時肉眼仍看不見。第三階段地面回擊，第二階段的階梯先導仍未到達地面，而此時地面受到靜電感應，也對空氣放電，兩股放電在空中相遇。第四階段放電發出閃光(flash)與雷聲(stroke)，這時也是造成損害最大的時候。
上圖的時間間距為0.32秒。閃電放電是一種電漿(plasma)的狀態，因為大量的放電，造成周遭氣體的游離而形成等離子體。有人曾經想過：利用這種巨大能量釋放來做成閃電發電，但因發生時間太短暫與發生頻率不固定而不具商業價值。 閃電雖然對地面造成傷害，但卻是原始地球由有機化合物產生生命的關鍵，在目前人造閃電還沒有辦法成功複製出當初轉換的結果。閃電另外一個好處是可以將空氣中的氮固化，藉由高壓放電，空氣中的氮氣與氧氣化合而降落到地面，是原始地球養分的重要來源。 避免被雷擊的方法為裝置避雷針以及在雷雨時避免在孤立高聳的地形、植物與建築物旁。在民航機上也裝有避雷針，避免在飛行過程中遭遇雷擊。
- 電功率 2009/08/29
電功率 (Electric Power)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯電功率指的是單位時間流過的電能，它的SI單位是watt.。當電路的電流流動時，它可以轉變成力學能或熱能。
電能轉力學能的例子是電動機，電燈是電能轉光能，電熱器則是電能轉熱能，喇叭或麥克風則是把電能轉聲能。電能也可以由其他能量形式轉換而成，例如說：發電機是將力學能轉為電能，太陽能電池則是將光能轉變成電能，電池可以把化學能轉為電能。
電功率基本的定義是電功除以時間， P=W/t=IVt/t=IV 推導可得電功率等於電流乘以電壓，如果電阻滿足歐姆定律（稱為歐式導體，以金屬為最重要的例子）我們可以把電功率的公式推廣成：P=I2R ，即：電功率與電流平方成正比，與電阻也成正比 或P=V2/R ，即：電功率與電壓平方成正比，與電阻成反比。 在真空中，電磁波傳遞時，因為電場與磁場不斷改變，P=IV必須用更複雜的方式來表示，也就是說:電場與磁場外積後，再對單位面積積分，得到的就是電磁波單位時間可以傳播的電能（或磁能），稱為波印亭向量 (Poynting vector)。
表示成：
其中：E表電場的向量，H表磁場的向量，S表面積積分，P就是波印亭向量。 交流電的電功率，在交流電中，利用電容與電感，可以造成週期性震盪電路，即可儲存電能，在AC波形裡，平均的電能流動稱為實際功率 (real power)。因為儲存電能而造成的電能流動，稱為反應功率 (reactive power)，兩個功率的向量和就稱為表現功率 (apparent power)。
三這之間的關係為：表現功率2=實際功率2+反應功率2 這種表示式稱為電功率三角形。用向量來表示：實際電功率是水平向量，而反應電功率為鉛直電功率。 實際電功率與反應電功率可以用表現電功率來表示，即：實際電功率=表現功率*cos(θ) 反應電功率=表現功率*sin(θ) 實際電功率與表現電功率的比值稱為電功率因子，是介於0到1的數。
交流電儲存電能的電功率三角形表示式
- 短路 2009/08/29
短路 (Short Circuit)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯短路可簡稱為short 或簡寫為s/c ，在電路中另一種路徑的傳輸，它的相反是開路，意思是電阻無限大。 它的定義是電路在兩節點間電阻異常的小，它會造成電流過度的大，可能造成起火或爆炸。
在電路分析時，可以用來設計零阻抗的元件，因為它可以強迫讓兩節點間有相同的電位差。理想的短路代表零電阻與零電壓降。在簡單電路分析中，導線被視為短路。
在電池中，以低電阻導線連接正負極會造成短路，因為電路電阻很低，會造成電流很大，因此電池的電能在很短時間內就會耗盡。 在電路中，由於電線的絕緣失效會造成短路，或加入一個導電物質，使電荷由另一條路徑傳輸。 在主要電路中，短路會發生在兩相之間，在一相與中性線之間，或在一相與接地線之間，這會造成電流急遽變大，進而觸發過電流保護裝置。也可能在中性線與接地導體間，或兩個同相導體，這種短路很危險，因為他們不會立刻產生大電流，因此比較不可能被偵測出，可能的損害會造成電路突然的能量增加，為了避免這種負面效應，電路分布轉換器被用來產生一定量的漏電抗。
上圖是暴風雪時，電線因為短路而造成爆炸。 短路通常會造成保險絲燒毀或斷路器變成斷路，或其他過載保護，使電路中斷，以避免過多的電流損壞電器，例如：常見家電用品的乾衣機承載電流約10 到20 安培，因此通常使用20 到30 安培的斷路器，而電燈承載電流小於10 安培，因此常常使用15到20 安培的斷路器。在家庭電路中，必須慎選斷路器，以確保電器不被過電流所損壞。
圖為一個交流220伏特插頭因為短路而損壞的情形，使一個25安培的斷路器立刻斷路。
不良的安裝進而造成短路產生過電流會產生大量歐姆熱，例如電線絕緣失效，插頭的兩端互相接觸，或兩條電線互相接觸，有時會產生火災，有時會產生電弧，發出大量的熱進而引燃易燃物質。這種電弧是游離態的電漿，具有高傳導性。 上圖是一個交流220伏特插頭因為短路而損壞的情形，使一個25安培的斷路器立刻斷路
- 尖端放電（Corona discharge） 2009/08/29
尖端放電（Corona discharge)
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂的電暈放電(corona)，是一種中性的流體(像是空氣)，在電場非常高的地方被離子化(空氣分子中的電子因接收到足夠的能量而游離，導致分子成為離子態)，而在電極附近產生了離子態的分子，這些離子態的分子會再去搶其他穩態分子的電子，或者讓和其他離子結合，讓自己形成穩態的分子，這一連串電子轉移、釋放的過程，稱為電暈放電，而尖端放電為電暈放電中的其中一種，專指在尖端物體附近所發生的電暈現象。
在尖端物體附近的空氣，因為有非常高的電場，所以被游離成離子態，而離子態的分子擁有導電性，所以可將離子態的空氣視為導體，因此，原本只有尖端的物體為導體，而現在被離子態的空氣所包圍，導體的範圍變大了，電場就會變的比較低，直到低到不能將空氣游離的狀態，空氣便不會再游離，游離空氣的範圍也不會再變大，所以尖端放電的範圍會受到電場大小的影響，也就是會受到尖端物體形狀的影響。
現有兩球半徑為Ra、Rb的導體球，總帶電量是Q，若用細導線連接兩球(如下圖)，
則兩球電場分別為: Ea=Q/kRa(Ra+Rb)、Eb=Q/kRb(Ra+Rb) (其中k為庫倫力常數)由此可見，兩球表面附近的電場強度和球半徑成反比，也就是說曲率半徑越強，電荷密度就越強，由此，我們就可以得知電場強度和物體的曲半徑有關。
在運用方面，例如離子風扇，在風扇中有許多尖細的電極，利用尖端放電的原理，給這些電極高壓，讓空氣產生離子，去吸附空氣中多餘的電子，減少靜電的產生。另外像避雷針，也是利用此原理，讓閃電打到避雷針，以避免路上的行人被閃電擊中而送醫。 尖端放電也有很多缺點，例如在電源傳輸方面，會造成能量的損耗、雜音、電磁場的干擾、臭氧的產生(氧離子的結合)等等問題，這仍是有待克服的部份。
參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge#Applications_of_corona_discharge - 焦耳定律（Joule’s Laws） 2009/08/29
焦耳定律（Joule’s Laws）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯焦耳定律可以分成焦耳第一定律與焦耳第二定律。 焦耳第一定律，也稱為焦耳效應，描述電流流經過導體所產生的熱，它是焦耳(James Prescott Joule )在1840年所提出來的。
可以表示成 Q=I2Rt 其中Q是電流I流過電阻R經過時間t所產生的熱，當電流的單位是安培，電阻的單位是歐姆，時間的單位是秒，熱量的單位就是歐姆。 有時焦耳第一定律也可稱為焦耳-冷次定律，因為冷次(Heinrich Lenz)也獨立提出類似的定律。載流導線所產生的熱也被稱為焦耳熱。
焦耳第二定律描述理想氣體的內能與它的體積與壓力無關，只與溫度有關。 與歐姆定律的關係:在含電阻電路、按照能量與電位能守恆，焦耳第一定律與歐姆定律是等價的而且可以互相推導，這是馬仕卡(Mascart)在1883年與哈費塞(Oliver Heaviside)在1894年所提出來的。
焦耳第一定律描述:電阻性電路的熱傳播速率正比於電流平方乘以電阻，也就是說: P=I2R 這是焦耳在1841年所推導得出，它使用卡計來測量熱，電流計來測量電流，再加上不同的電阻性電路。這個定律適用於任何遵守歐姆定律的電路，也就是說傳導的電流會正比於施加的電壓，或等價的說:這就是電阻。歐姆定律描述在一個電阻為R的電路施加一電壓V，則它的電流I等於 I=V/R 將這個公式代入上式中的一個電流，或兩個全部代入，就可以得到 P=IV=V2/R P=IV這個關係是比焦耳定律或歐姆定律應用的更廣，因為它代表電路有電流I流過，施加電壓為V時的電功率，不論它是否是歐姆式電阻。綜合焦耳定律與歐姆定律，它可以用來互相推導。 因為電阻散失的熱是單位時間所產生的電能，因此，在時間t內所產生與散失的熱是:
- 惠司同電橋 2009/08/29
惠司同電橋 (Wheatstone Bridge)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯惠司同電橋是一種量測電阻的裝置，由克里斯丁(Samuel Hunter Christie)在1833年所發明，惠司同(Sir Charles Wheatstone)在1843年所改進。 Continue reading →
- 高電壓 2009/08/29
高電壓 (High Voltage)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂高電壓是指電路中的電壓很高而導致特殊的安全考量與需要絕緣裝置。國際電技術協會(IET, IEEE, VDE…等)定義：交流電1000伏特以上、直流電1500伏特以上稱為高壓電。
2005年美國國際電碼(National Electrical Code，NEC)定義：600伏特以上稱為高壓電。 Continue reading →- 直流電（Direct Current） 2009/08/29
直流電（Direct Current）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂直流電的意思是電流的方向保持固定，簡寫成DC或dc，它可以由電池、直流發電機或太陽能電池所產生的電能輸出裝置，如下圖所示。第一個圖是電池產生的，所以它的電流方向固定大小也固定；第二個圖是交流電經過一個半波整流器的輸出電流，因此雖然方向固定(也被稱為極性固定constant polarity)，但大小卻仍可產生變化；第三個圖是由全波整流器產生的輸出電流。
直流電的種類 第一個商用直流電是由愛迪生(Thomas Edison)在十九世紀末所發明的，雖然直流電有可以直接應用於大部分電器的優點，但是無奈的是，它隨著距離衰減的速度太快，以至於需要在用戶附近建造很多發電所，因此被譏笑為”有錢人的玩藝”，而且在交流電問世後，就快速被取代。 直流電可以用變壓器變壓嗎?這個問題其實並不嚴謹，因此回答起來必須特別小心，因為像電池這種電流大小固定的電源，因為是穩定電流，所以沒有辦法產生隨時間改變的磁場，因此無法經由變壓器改變電壓，要改變電壓，只能藉由電池串聯的方式進行。
但是像半波電流或全波電流，因為電流大小並不固定，所以其實還是可以經由變壓器產生電壓的升降，例如電蚊拍與汽機車引擎的點火系統就是明顯的例子，單純的汽車蓄電池，是輸出12伏特的，但是憑藉著這麼低的電壓是無法點燃火星塞，進而引爆汽缸內的汽油蒸氣，因此必須事先升高電壓到大約兩萬伏特，因此如果沒有靠變壓器是無法達成的。
直流電因為電流方向固定，所以有三大效應:熱效應、磁效應與化學效應。其中熱效應指的是焦耳定律，電流通過電阻時，所產生的焦耳熱就是一種熱效應。磁效應指的是安培定律，載流導線產生的磁場會跟電流大小成正比，距離成反比。化學效應則是法拉第電解定律，詳細介紹請參照化學部份。 - 高電壓 2009/08/29