ENGG1310 P3.1 Electricity and Protections

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)