- 並聯（Parallel Circuits） 2009/08/29
並聯（Parallel Circuits）
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常見的並聯電路有：電池(battery)並聯、電阻(resistance)並聯、電容(capacitor)並聯與電感(inductor)並聯。
電池並聯：電池並聯使用時，如果各電池電壓相等。因為電子通過時，位能相同，所以電位也不變，故總電壓不變。即：Vtotal=V1=V2=…=Vn。如果各電池電壓不相等，將牽涉到電池被充電、放電與正接、反接問題，較為複雜。原則上，最高電壓的電池(或組合)為放電，其餘則會被充電。
電阻並聯：電阻並聯使用時，因為電子通過時，位能相同，所以電位降低相同，故總電壓等於分電壓，使得總電阻等於分電阻倒數和的倒數。再根據歐姆定律V=IR，我們可以知道每個電阻的電流分配會與電阻成正比。因此，當有電阻並聯使用時，會使得總電阻變小，換言之，如果有n個相同的電阻R並聯在一起時，總電阻就會變成R/n。
1/Rtotal=1/R1+1/R2+…+1/Rn 電容並聯：電容使用時，因為電容C=電量Q除以電壓V，因為是並聯電路，所以各電壓相等，再加上總電荷為分電荷之和，因此總電容為分電容的和。因此，當有電容並聯使用時，會使得總電容變大，換言之，如果有n個相同的電容C並聯在一起時，總電容就會變成nC。 
Ctotal=C1+C2+…+Cn 電感並聯：電感使用時，因為各電壓相等，且各電流等於分電流之和，故總電感等於分電感倒數和的倒數。因此，當有電感並聯使用時，會使得總電感變小，換言之，如果有n個相同的電感L並聯在一起時，總電感就會變成L/n。
1/Ltotal=1/L1+1/L2+…+1/Ln 另外，力學裡也有類似的組成，例如：彈簧的並聯。因為各彈簧間感受的變形量與總變形量相同，因此根據虎克定律F=kx，所以總彈力常數等於分彈力常數的和。因此，當有彈簧並聯使用時，會使得總彈力常數變大，換言之，如果有n個相同的彈簧k並聯在一起時，總彈力常數就會變成nk。 
ktotal=k1+k2+…+kn - 串聯（Serial Circuits） 2009/08/29
串聯（Serial Circuits）
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在電路中，元件可以被連接的方式有串聯與並聯。 串聯電路
並聯電路
因為串聯電路只有一條路徑，所以電流會相等；相對的，因為並聯電路中，電流在節點分開，所以總電流為分電流之和。
常見的串聯電路有：電池(battery)串聯、電阻(resistance)串聯、電容(capacitor)串聯與電感(inductor)串聯。
電池串聯：電池串聯使用時，因為電子通過時，位能不斷提升，所以電位也不斷增加，故總電壓等於分電壓之和。即：Vtotal=V1+V2+…+Vn
電阻串聯：電阻串聯使用時，因為電子通過時，位能不斷減少，所以電位也不斷降低，故總電壓等於分電壓之和，使得總電阻等於分電阻之和。再根據歐姆定律V=IR，我們可以知道每個電阻的電壓降低會與電阻成正比。因此，當有電阻串聯使用時，會使得總電阻變大，換言之，如果有n個相同的電阻R串聯在一起時，總電阻就會變成nR。 
Rtotal=R1+R2+…+Rn 電容串聯：電容使用時，因為電容C=電量Q除以電壓V，因為是串聯電路，所以各電荷量相等，再加上總電壓為分電壓之和，因此總電容為分電容倒數和的倒數。因此，當有電容串聯使用時，會使得總電容變小，換言之，如果有n個相同的電容C串聯在一起時，總電容就會變成C/n。 
1/Ctotal=1/C1+1/C2+…+1/Cn 電感串聯：電感使用時，因為各電流相等，且各電壓等於分電壓之和，故總電感等於分電感之和。因此，當有電感串聯使用時，會使得總電感變大，換言之，如果有n個相同的電感L串聯在一起時，總電感就會變成nL。 
Ltotal=L1+L2+…+Ln 另外，力學裡也有類似的組成，例如：彈簧的串聯。因為各彈簧間感受的作用力與總作用力相同，因此根據虎克定律F=kx，所以總彈力常數等於分彈力常數倒數和的倒數。
因此，當有彈簧串聯使用時，會使得總彈力常數變小，換言之，如果有n個相同的彈簧k串聯在一起時，總彈力常數就會變成k/n。
1/ktotal=1/k1+1/k2+…+1/kn - 安培計（Ampere Meter） 2009/08/29
安培計（Ampere Meter）
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安培計就是一種可以量得電路中電流的儀器，若要測量較小電流，可以使用毫安培計(mA)或微安培計(μA)。因為電流具有方向，而且反接安培計會造成安培計燒毀，所以後來有一種安培計，直接把零點作在中間，稱為零點中央安培計(Zero-center ammeter)，如下圖所示。
根據它的資料顯示方式可以分成類比式(analog)與數位式(digital)兩種，其中：數位式的安培計是由類比式的安培計再加裝一個類比轉數位的轉換器(analog to digital converter)。
最早被設計出的電流計為d’Arsonval安培計或稱為移動線圈安培計，依照這樣原理可以做出伏特計與安培計。
圖中紅線的電流為被量測出的電流，綠色彈簧而提供恢復扭力的線圈，N跟S分別為磁鐵的兩極，這樣的安培計被稱為d’Arsonval型安培計。 安培計可以由線圈並聯低電阻所組成，當線圈的可容忍最大電流為I、電阻為R，欲測量放大n倍的電流時，因為並聯電路必須容忍的電流為(n-1)I，再根據並聯電路的電壓相等，所以依照歐姆定律就可以推知並聯的電阻為r，則 IR=(n-1)Ir，所以r=R/(n-1)，即必須並聯1/(n-1)倍的電阻。 因為安培計的使用在於測量電流，所以必須跟待測電路串聯，而且安培計的電阻必須遠小於待測電路的電阻，理想的安培計電阻視為零，因此測量電路的電流時，通過安培計不會有電壓降落；然而實際情形是：安培計的電阻不可能為零，因此必須配合伏特計使用，而且安培計要先與待測電阻串聯再與伏特計並聯，我們稱此法為適合測量高電阻的(電流計)內接法(或稱為伏特計的外接法)。如下圖所示。 
因為此時安培計的電阻遠小於待測電阻，故以此接法為佳。然而，因為這樣的連接方式，測量出來的電流雖然準確，但是電壓卻太大，因此測量出來的電阻R=V/I會比實際值大。 - 地磁（Earth’s Magnetic Field） 2009/08/29
地磁（Earth’s Magnetic Field）
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地球的磁場大約像一根磁棒一樣，而地磁的S極大約在地理北極，地磁的N極大約在地理南極。故在赤道附近的磁場方向大約可以當成由南方指向北方。
而在兩極部分是磁力線最密的位置。
圖1.地球磁力線示意圖 磁極的位置每年都會有微小的變化，下表為近幾年測得磁極的經緯度： N極(2001)81.3oN，110.8oW (2004)82.3oN，113.4oW (2005)82.7oN，114.4oW S極(2001)64.6oS，138.5oE (2004)63.5oS，138.0oE (2005)63.1oS，137.5oE 地磁可以保護地球免於高能量的宇宙射線的侵害，因為這些高能量的宇宙射線會受到地磁而產生磁力，進而以螺線運動而逐漸向兩極轉入稱為地磁層(Magnetosphere)。當這些宇宙射線進入大氣層的電離層時，因為被大氣吸收而發出各種形狀與顏色的光，稱為極光(aurora)。極光是一種氣體游離的電漿(plasma)態。 當太陽風吹向地球時，會造成地磁的彎曲，另一方面，地磁也將太陽風內含的高能粒子吹向兩極，形成所謂范艾倫帶(Van Allen belts)。范艾倫帶又可以外范艾倫帶與內范艾倫帶。 
圖2.太陽風造成地球磁力線彎曲想像圖 地磁可以分成三個部份來描述：磁傾角、磁偏角與水平磁強。
1. 磁傾角：因為除了在赤道附近以外，地磁都不會是水平，因此地磁與水平的夾角稱為磁傾角。磁傾角隨著緯度的增加而增加。 2. 磁偏角：因為地磁的S極與地理北極並非完全重合，因此兩者的夾角就稱為磁偏角，大約是11.3o，目前為止，科學界以板塊運動理論來解釋磁偏角的產生。 3. 水平磁強：將地磁強度投影在水平方向的大小，稱為水平磁強。我們可以利用地磁的水平磁強來測量電流產生的磁場。 因為板塊運動，所以地磁每隔一段時間就會有地磁反轉(Magnetic field reversals)的情形。由於大西洋中洋脊的發現，地層出現對稱性的地磁反轉痕跡提供了板塊運動理論重要的證據。
圖3.地磁反轉測量圖
參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Earth_magnetic_field - 伏特計（Volt Meter） 2009/08/29
伏特計（Volt Meter）
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伏特計就是一種可以量得電路中電位差(electric potential difference)的儀器，根據它的資料顯示方式可以分成類比式(analog)與數位式(digital)兩種，其中：數位式的伏特計是由類比式的伏特計再加裝一個類比轉數位的轉換器(analog to digital converter)。
伏特計的工作原理是根據電流的磁效應，當電流通過線圈時，會產生一個磁場，而這個磁場與原本的場磁鐵所產生的磁場會有相互作用力(通常是排斥力)，因此線圈受到一力矩而轉動；隨著線圈的轉動，會使得固定在線圈上彈黃因轉動而伸長，進而產生拉回的彈性恢復力，當兩磁場相互作用力與彈性恢復力互相平衡時，指針達到平衡不再移動，讀出來得指數即為所測量到的電位差。
圖中紅線的電流為被量測出的電流，綠色彈簧而提供恢復扭力的線圈，N跟S分別為磁鐵的兩極，這樣的伏特計被稱為d’Arsonval型伏特計。 伏特計可以由線圈串聯高電阻所組成，當線圈的可容忍最大電壓為V、電阻為R，欲測量放大n倍的電壓時，因為串聯電路必須容忍的電壓為(n-1)V，再根據串聯電路的電流相等，所以依照歐姆定律就可以推知串聯的電阻為r，則 V/R=(n-1)V/r，所以r=(n-1)R，即必須串聯(n-1)倍的電阻。
因為伏特計的使用在於測量電壓，所以必須跟待測電路並聯，而且伏特計的電阻必須遠大於待測電路的電阻，理想的伏特計電阻視為無限大，因此測量電路的電壓時，不會有電流通過伏特計；然而實際情形是：伏特計的電阻不可能無限大，因此必須配合安培計使用，而且伏特計要先與待測電阻並聯再與安培計串聯，我們稱此法為適合測量低電阻的(電流計)外接法(或稱為伏特計的內接法)。如下圖所示。
因為此時伏特計的電阻遠大於待測電阻，故以此接法為佳。然而，因為這樣的連接方式，測量出來的電壓雖然準確，但是電流卻太大，因此測量出來的電阻R=V/I會比實際值小。 - 交流電 2009/08/29
交流電 (Alternating Current)
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交流電(簡寫為AC或ac)，是電荷做週期性來回流動，例如:一個電荷流過去、再流過來，再流過去、再流過來，如此一般不斷重複。相對地，直流表示電流方向固定。
在一般情形下，我們利用交流電將電能傳送到商業或住宅區。常見交流電波的圖形是正弦波，但在其他應用場合也可以是其他波形，例如三角波或方波。在電線內所傳輸的聲音或無線電訊號是一種交流電流的一種常見的例子，在這些應用實例中，重要的目標是恢復或解碼這些被加碼或模組化的交流訊號。
城市燈光在運動狀態下被看到有模糊不清的曝光照片
在1887年Westinghouse 早期的交流系統（美國專利373035）
高壓傳輸線用交流電可以將發電廠所產生的電能傳送到很遠的距離，照片中的電線是位在美國猶他州。
交流電壓的數學
交流電流往往伴隨著交流電壓，這個電壓可以用簡單的時間函數關係表示：
其中Vpeak是峰值電壓，單位是伏特 ω是角頻率，單位是弳/秒 t是時間，單位是秒 交流峰對峰電壓的值被定義為：正峰值與負峰值的差。因為sin(x)的最大值為+1，最小值為−1，因此交流電壓會界在+Vpeak 與−Vpeak之間，因此峰對峰電壓通常寫成Vpp 或 VP− P，因此Vpeak − ( − Vpeak) = 2Vpeak。
交流電力供應頻率 電力系統的頻率在每個城市並不相同，大多數的頻率是50赫茲或60赫茲，有的國家提供50赫茲和60赫茲混合的電力，最有名的例子是日本。 低頻常用在低速電力系統，例如：起重機、在鐵路使用的整流器型的曳引馬達，在電燈中也會產生不可忽略的火花與引人注意的閃爍。
在某些歐洲鐵路系統中16⅔赫茲仍被使用，例如：澳洲、德國、挪威、瑞典與瑞士低頻的使用也提供低電抗損耗的優點，因為電抗損耗正比於頻率。尼加拉瓜瀑布發電機原本是建成25 赫茲，這是界在曳引的低頻與高感應馬達之間的妥協結果，但仍可使用在電燈（雖然仍有引人注意的閃爍），在尼加拉瓜瀑布附近，大部分25 赫茲在居家與商業客戶在1950 年代轉變成60 赫茲，雖然在二十一世紀初期仍有些25 赫茲工業用戶存在。 近海地區、軍方、紡織工業、海軍、電腦維修、飛機與太空梭應用等領域，有時會使用400 赫茲，因為它可以降低儀器的重量或更高的馬達速度。
- 半導體（Semiconductor） 2009/08/29
半導體（Semiconductor）
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半導體就是指導電性介在導體與絕緣體之間的材料，因為它的導電性隨著溫度與電壓而改變方便調變，因此應用廣泛，舉凡目前生活中所用電器，如：電扇、電腦、洗衣機、電視機等電器，無一不應用到半導體的延伸—積體電路(Integrate Circuit，IC)，因此半導體名列現代科技六大發明之一。
半導體的分類可以有很多種：
1. 依照原子種類的數目可以分為：元素半導體與化合物半導體，例如：矽(Si)即為一種元素半導體，而砷化鎵(GaAs)為一種化合物半導體。
2. 依照摻雜(doping)種類可以分為：本質(intrinsic)半導體與雜質(extrinsic)半導體。本質半導體以矽最常被用到，它可以用作成基版，稱為矽晶圓；但近年來用鍺(Ge)的單位也逐漸增加。雜質半導體又可分為P型(p type)半導體與N型(n type)半導體，例如：摻硼的矽為P型半導體，而摻砷的矽為N型半導體。若摻雜濃度更多還可以變成是重摻雜。
3. 依照載子躍遷(carrier transition)可以分成：直接能隙(direct bandgap)與間接能隙(indirect bandgap)，所謂直接能隙是指高低能階間載子躍遷在同一鉛直線上，因此只要遵守能量守恆即可，因此發光或吸光效率較高，例如砷化鎵就屬於直接能隙。而間接能隙因為載子躍遷尚須遵守動量守恆，因此不適合作為發光元件或吸光元件。 當一個P型半導體與N型半導體組合在一起，就可以形成二極體(diode)或稱為PN二極體，二極體主要的功用為整流。當三個半導體組合在一起，就可以形成三極體或稱為電晶體(transistor)，在電腦主機板上，用來記憶檢查資料的CMOS，就是一種電晶體。當更多的元件組合在一起時，就稱為大型積體電路(Very Large Scale Integration，簡稱為VLSI)。複雜度再繼續增加就統稱為積體電路。台灣在近20年來的高科技發展，有很大部份的貢獻是由於半導體業接受世界大廠的晶圓代工所發展出來的，例如在新竹科學園區的台積電、聯華電子與旺宏電子公司都曾是世界上頂尖的公司。
- 安培定律 2009/08/29
安培定律 (Ampère’s Law)
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1. 歷史：
安培定律是安培 (André-Marie Ampère) 在1826年所發現的，代表意義為:循著封閉迴路對磁場作積分，結果會和面積內的電流成正比。馬克斯威 (Maxwell) 在1861年重新推導一遍，並和其他三道方程式歸納為馬克斯威方程式 (Maxwell equations)，建立起完整的電磁波理論。安培定律可以由比歐-沙伐定律推導而得。
2. 常見結果：
就高中物理而言，安培定律的描述可以簡單表示成:第一種是高一基礎物理：磁場與電流成正比，與距離成反比。B=KI/r，B:代表磁場，K代表常數，I代表電流，r代表距離。第二種在高三物理，由電流產生的磁場可以分成三類:無限長直導線
，單匝圓形線圈圓心位置
和螺線管
，其中
為真空磁導率，n為單位長度的匝數，r為距離，a為半徑。3. 應用：
安培定律不但可以用來計算電流產生的磁場，因為磁場間會有相互作用力，因此也可以用來計算載流導線在磁場中所受的力、兩載流導線間相互作用力與帶電粒子在磁場中運動時所受的力(此力又稱為洛仁茲力)。
4. 方向：
又可稱為安培右手定則，對直導線而言：大拇指方向為電流方向，則四指彎曲方向為磁場方向。對圓形線圈而言：四指彎曲方向為電流方向，則大拇指方向為磁場方向。
5. 生活中的產品：
電動機（俗稱馬達），它是利用載流導線在磁場中受力產生力矩而對外做功的裝置，舉凡：抽水馬達、洗衣機、吹風機、電風扇…等常見的家電產品中，都可以看到安培定律的身影。另外，用來測量電壓的伏特計，用來測量電流的安培計，也都是利用安培定律做成的量測工具。
6. 微分形式與積分形式：
在大學電磁學裡，安培定律的表示式比高中物理複雜的多，但應用卻可以推的更廣，不像高中物理只能求一些簡單形狀的載流導線，大學電磁學把安培定律分成微分形式與積分形式，其中微分形式為：磁場的散度等於真空磁導率乘以電流密度
，其中J為電流密度。積分形式為：磁場對封閉迴路的環場積等於真空磁導率乘以封閉面積內的電流
，其中Ienc為電流，dl為封閉迴路的單位長度，
為環場積。