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ENGG1310 P3.1 Electricity and Protections

发布时间 2023-03-30 22:55:28作者: 四季夏目天下第一

这一章虽然比较硬核，但大部分都是高中物理学过的知识
并且对于高中熟知的一些公式 (电压/电流有效值) 之类的将会给出推导 (毕竟现在会积分了)，所以还是很值得学习的一 part

原子 Atom

All MATTERS are made of atoms.

  • 电子 electron: negatively charged atomic particles
  • 质子 proton: positively charged atomic particles
  • 中子 neutron: uncharged atomic particles

质子和中子所在的区域是原子的中心区域，称为原子核 (neucleus)
Points to Note:

  • Same number of electrons and protons -> holds electrons in orbit and makes the atom overall electrically NEUTRAL
  • 原子序数 Atomic numbers 指原子核中的质子数
  • Atomic numbers IDENTIFIES the ELEMENT (元素)

电子 Electron

  • 电子轨道 (Electron orbits): 电子不是 static 的，它们在围绕着原子核上的轨道运动

  • Valence electrons 价电子

    • 价电子指的是在 outermost orbit 上的电子
    • 离 nucleus 最远，其与原子核内 protons 的吸引力最小

  • Free electrons 自由电子
    注意：自由电子与价电子 并不是 互斥的概念

    • 某些元素 (例如金属) 的价电子与原子核的联系非常弱 (loosely bound to the nucleus)，这意味着它们很容易 move out of orbits: 它们被称为自由电子
    • 自由电子能够 move 或 flow: 这是形成 current electricity 的基础
    • 若自由电子能够引导 (channel) 向一个特定的方向，那么 the flow of electrons occurs (电子流): 若流过的是一个 conductor，那么 current electricity 就形成了

  • Electron Flow: Electricity at the Atomic Level
    电流 (current electricity) 微观上的表现即是 电子流 (electron flow)

    (若某个原子失去了一个自由电子，它形成的空穴 electron hole 一定会吸引其他自由电子填补进来；若这样的电子流过程是有向的，那么宏观上就表现为电流)


Current Electricity

  • Types of electricity
    与 Current Electricity 所对应的是 Voltage (Static) Electricity 静电

    在这节课中我们研究的主要是 Current Electricity: 电流

  • Electric Charge 电荷


    (注意电源正极/负极的讲法: positive charged terminal/negative charged terminal)

  • Electric Current 电流

    电流的定义：在单位时间内，流过某横截面的持续电荷流 (sustained flow of electrical charges)，电流方向与电荷流动方向相反
    \(I=Q/t\): 计算定义下的电流为，单位时间内流过某横截面的电荷数 (\(I:A, Q:c, t:s\))

  • Types of Current Flow (DC V.S. AC)

    • Direct Current (DC) 直流
      • Constant DC
      • Time-varying DC
    • Alternate Current (AC) 交流
      • Half-Wave Symmetrical Periodic Sinusoidal AC
      • Periodic Square-Pulse AC

      • Aperiodic Varying-Amplitude AC

  • Alternating Voltage Sinusoidal Waveform
    我们通过以下参数来描述 电压正弦波形交流电：(注意，这里我们讨论的波形纵轴是电压 voltage 而不是电流 current)

    周期 \(T\): 单位为 \(s\), \(T\) 为一个完整波形的长度
    频率 \(f\): 单位为赫兹 \(hz\), \(f\) 为单位时间内的周期数 \(f=1/T\)
    角速度 \(\omega\): 单位为 \(rad/s\), the velocity of the circular motion of the coil in AC current generator, \(\omega=2\pi/T=2\pi f\)
    振幅 amplitude \(V_m\): 电压的最大值，即 Peak Value \(V_p\)
    Peak-to-Peak Value: \(V_{PP}\), positive peak 到 negative peak 的电压值. 在 Alternating Voltage Sinusoidal Waveform 中，\(V_{PP}=2V_P\)

  • Average Value (平均值) 与 Effective Value (有效值)