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电学

电学英文:electricity, electrical science),涵盖一切以为研究基础的学科。19世纪末随着电报电力系统的应用逐渐奠定了此工程的学科基础,并广泛地应用在各个领域。在技职教育上,以基本电学作为起始基础教育学科,电机工程包括许多“次领域”如:电路学电子学电力学电磁学等等,并且与其他物理科学领域有相互关系。

发展历史

在20世纪初期发明的真空管,可以放大和处理电子讯号,因此产生了广播电视、和电话等远程通讯事业,使人类的通讯和娱乐方式为之改观。但是以真空管装配的电子产品,不但体积大而且耗电量多,因此早期的电子工业对人类生活的影响,主要是在通讯和娱乐方面。在20世纪中期所发明的晶体管和其后发展的集成电路Inte-grated Circuit,简称IC)技术,几乎完全取代了真空管,电子工业产生了革命性的变化,电子电路的设计和制造缩小到微米的尺寸。利用新的电子技术,机器生产得以自动化,通讯更为便捷且多样化,对人类生活的各个层面产生了深远的影响。在20世纪的末期,个人电脑互联网的普及,缩短了人与人之间的距离,使得天涯若比邻。

电学基本概念

基本电学

国际单位制电学单位
基本单位
单位 符号 物理量
安培 A 电流
导出单位
单位 符号 物理量
伏特 V 电势电势差电动势 = W/A
欧姆 Ω 电阻电抗阻抗 = V/A
法拉 F 电容
亨利 H 电感
西门子 S 电导导纳,磁化率 = Ω−1
库仑 C 电荷量 = A⋅s
欧姆⋅米 Ω⋅m 电阻率 ρ
西门子/每米 S/m 电导率
法拉/每米 F/m 电容率介电常数 ε
反法拉 F −1 电弹性 = F −1
伏安 VA 交流电功率,视在功率
无功伏安 var 无功功率,虚功
瓦特 W 电功率,有功功率,实功 = J/s
千瓦⋅时 kW⋅h 电能 = 3.6 MJ
  • 电子(electron):在原子中,围绕在原子核外面带负电荷的称为电子。
  • 电路(electrics circuit):由电源、用电器、导线等连接组成的电流通道,分为闭合电路和开合电路。不经负载的闭合电路被称之为短路。电子元器件在电路中的连接方法有串联并联两种基本形式。
  • 电压(voltage)或称电势差,是趋使电子流经导线的一种潜能,若把电荷从一点移到另一点必须对电场做功就称两点之间存在电压(电势差)。
  • 电子流 在电路中正电荷其实不移动,实际移动为电子,电子流的方向为电流的反向
  • 电荷(electric charge)是电子负荷的量,电场之源。当正电荷发生净移动时,在其移动方向上即构成电流
  • 电阻(electric resistance):限制电路中电流的量,亦称为电流的阻力。
    • 阻抗(impedance):交流电路中对电流限制能力(以同电阻用于直流电路非常相似的方式)的一种度量。定义为电压除以电流
  • 电功率(electric Power):定义为单位时间内所作之功。因导线不积存电荷,故在一闭合电路中有多少电荷通过电池必有相同量之电荷通过电阻。
  • 电场(electric field):正或负电荷周围产生电作用的区域,电场方向由高电势指向低电势。
  • 电容(capacitance):加电压至金属平行板上,电荷会分布于其上,而其所表现的比例常数值,也是存储电荷能力的度量。
  • 电感(inductance):线圈由变化磁场对另一个线圈(互感,M)或自身(自感,L)产生电压能力的度量

应用电子学

  • 电源(power supply):干电池与家用的110V/220V 交流电源是常见的电压源。
    • 电压源:可以维持定值大小的电压且不受负载变动的影响的来源。
    • 电流源:可以维持定值大小的电流且不受负载变动的影响的来源。
  • 充电(electrify)
  • 变压/整流(rectification/commutation):把交流电(不断改变方向的电流)变为直流电,只允许电流朝一个方向流动。电灯和电机使用交流电,但大多数电子设备需用直流电。
  • 导体 (conductor)
  • 接地(ground connection; grounding; earthing)
  • 电击(electric shock):经由导体接触到某程度的电压源,人体只要1mA就会有触电之感觉,5mA以上就会有肌肉痉挛现象,在严格控制下可作为医疗使用,但未受控制下将会造成生命危险。

研究领域

电机工程所设计的电力系统

主要的研究领域是:

  • 静电学是研究“静止电荷”的特性及规律的一门学科。
  • 电子学(Electronics)以电子空穴(空穴)为基础, 探讨的电流量通常较小(弱电), 借由控制带电粒子, 以达到储存资料或是控制开关等目的。相关概念如:半导体集成电路(IC)、印刷电路板(PCB)、固态元件等。
    • 微电子学(Microelectronics)是电子学中的子领域,是一项专门研究与学习如何将电子组件(或称:电子零件)以极小型的方式研制生产的学问。
  • 电力学是以探讨大电流(强电), 高功率的电路为主的科学, 常应用于发电、供电系统。相关概念如:发电机/电动机变压器/整流器、功率元件等。
  • 电路学(circuitry)以基尔霍夫定律(Kirchhoff's rules)为基础,探讨元器件的“电压”与“电流”关系;或是探讨放大,杂音的关系。工程师利用电子元件来设计“电路”以实现所需的功能。

次领域有机电整合、压电力学、数位控制、自动控制、电工学 (electrotechnics)、电磁学、控制系统、机器人学(robotics)、电机(electric machinery)等。

交叉领域有光学(光电学/光电子学)、电化学、电子物理、量子力学、核子工程、电子材料、生物电子学、医学电子学等。

其他相关的基础学科有微积分工程数学离散数学、工程英文等。

代表科学家及其贡献

科学家 贡献
本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin) 避雷针
安德烈-玛丽·安培 (André-Marie Ampère) 安培定则安培定律
亚历山大·伏打 (Alessandro Volta) 伏打电池
海因里希·鲁道夫·赫兹 (H.Hertz) 电磁波
迈克尔·法拉第(Michael Faraday) 电磁感应抗磁性电解
库仑 (C.A.Coulomb) 库仑定律
亨德里克·洛伦兹(H.A.Lorentz)
约瑟夫·汤姆孙 (J.J.Thomson) 电子
麦克斯韦(J. C. Maxwell) 麦克斯韦方程组
维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)
路易·德布罗意(Louis de Broglie)
埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)
约瑟·亨利 (Joseph Henry)
尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr)
古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff) 基尔霍夫定律
戴维南(Léon Charles Thévenin) 戴维宁定理
托马斯·爱迪生(Thomas Alva Edison)
尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)
蔡少堂 (Leon Ong Chua)
爱德华·劳笠·诺顿 诺顿定理

参见

参考文献

电学 体系

电子学 | 电磁学 | 电路学 | 电力学 | 半导体学 | 静电学
| 电荷 | 电子 | 空穴
电子材料 | 电阻 | 电感 | 电容 | 二极管 | 半导体 | 内存 | 集成电路


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