電壓（Voltage）是電氣工程、電子工程以及物理學領域中極為重要的基本概念，也是推動電流流過電路的主要驅動力量。從最常見的電池、家用插座電壓到大型輸電系統所使用的高壓，電壓在我們的日常生活與工業運作中無處不在。本文整理並歸納多份研究參考資料，從定義、原理到應用，帶領讀者深入了解電壓的重要性、測量方式及實際應用範疇。
電壓的基本定義與特性
電位差與能量
- 電位差（Potential Difference）
電壓本質上是兩點之間的電位差(或稱電勢)，可以想像成「電能的高度差異」。若將一庫侖（C）電荷從一點移動到另一點，需要或釋放的能量（焦耳，J）即為電位差（也即電壓）。V = ΔE / q ⟹ 1 Volt = 1 Joule / 1 Coulomb
- 電壓的 SI 單位：伏特（Volt，簡寫為 V）
1伏特等於導體兩端若有1安培（A）電流流過，且該導體每秒消耗1焦耳（J）能量（或功率為1瓦特，Watt）時，兩端的電位差便是1伏特。這個單位是以義大利物理學家亞歷山卓‧伏打（Alessandro Volta）命名。
帶電粒子與電壓
- 帶負電粒子的物體會被拉向「高電壓」處，帶正電的物體則被拉向「低電壓」處。
- 實際電路設計中，我們慣例上認定電流方向為「正電荷」的電子流動方向，儘管真正在傳導時常是電子（帶負電）反向流動。
保守場與非保守場
- 在靜電場條件下（無隨時間改變的磁場），電壓與路徑無關，只取決於起始點與終止點的電位差，因此電壓可以很好定義。
- 若電路中有隨時間變化的磁場，電場不再是保守場，路徑的選擇會影響線積分值；這時要嚴格定義電壓較為困難。但在電路分析中採用集總電路模型，通常仍可在每個理想元件兩端定義電壓，例如電感兩端電壓為 U = −L × dI/dt
國際單位制電學常用單位
下表整理了在電學與電路分析中常見的 SI 基本單位與導出單位，便於讀者查閱：
| 單位 | 符號 | 物理量 | 註釋 |
|---|---|---|---|
| 安培 | A | 電流 | SI 基本單位，定義電流大小 |
| 伏特 | V | 電位差、電動勢 | 1 V = 1 W / 1 A = 1 J / 1 C |
| 歐姆 | Ω | 電阻、電抗、阻抗 | 1 Ω = 1 V / 1 A（用於量測電阻值） |
| 法拉 | F | 電容 | 1 F = 1 C / 1 V |
| 亨利 | H | 電感 | 1 H = 1 V·s / 1 A |
| 西門子 | S | 電導、導納、磁化率 | 1 S = 1 / Ω |
| 庫侖 | C | 電荷量 | 1 C = 1 A·s |
| 瓦特 | W | 功率 | 1 W = 1 J / 1 s = 1 V × 1 A |
| 焦耳 | J | 能量 | 1 J = 1 N·m |
| 千瓦·時 | kW·h | 電能 | 1 kW·h = 3.6 MJ |
電壓的水力類比
電壓常被比喻為「水壓」（亦可視為一種壓力），而電流被比喻為「水流量」。想像一個封閉的水管系統，由水泵（類比電池或發電機）提供高壓端，推動水流（類比電流）從高壓端到低壓端，而電路中的導體就像水管引導著電流動；若水壓越大，流動的水量可能也就越大。依此類推，電壓與電阻（類比管道寬度與摩擦）協同影響電流流動。
直流電與交流電
電壓可分為直流電壓（DC）與交流電壓（AC）兩大類：
- 直流電壓（DC）
- 電壓的方向與大小隨時間不變或緩慢變化，正負極固定。例如電池所提供的電壓即為直流。
- 常見範例：鋰電池（3.3 V、3.7 V）、汽車電瓶（12 V 或 24 V）等。
- 交流電壓（AC）
- 電壓大小與方向在時間上週期性變化，一般用正弦波表達。
- 常見範例：家用市電（100 V、110 V、220 V），工業用電（380 V 三相）以及高壓輸電系統（數十 kV 以上）。
為何家用市電多為交流？
- 過去在遠距離輸電時，以交流電透過變壓器可輕鬆升壓或降壓，降低輸電線損耗與成本，適合大範圍電力傳輸。
- 目前高壓直流輸電（HVDC）也有應用，但建設成本與技術複雜度較高，多用於特定跨國、超長距離輸電專案。
常見電壓舉例
以下列出一些常見電壓來源及其典型值：
| 電壓來源/應用 | 電壓範圍（V） |
|---|---|
| 一般乾電池（鹼性電池、碳鋅電池） | 約 1.5（每顆） |
| 鎳氫（NiMH）或鎳鎘（NiCd）充電電池 | 約 1.2（每顆） |
| 鋰離子電池（手機、筆電） | 3.3 ~ 3.7（每顆標準） |
| 車用鉛酸電池（汽車、機車） | 12 V（小型車）或 24 V（大車） |
| 車用發電機輸出（交流發電機整流後） | 約 13 V ~ 14 V（充電狀態） |
| 家用市電（各國常見） | 100 V、110 V、220 V、240 V（AC） |
| 工業用三相電 | 220 V、380 V、400 V、480 V（AC） |
| 高壓輸電網（跨區長距離） | 幾 kV ~ 上百 kV（甚至至 1000 kV 以上） |
| 電車或電氣化鐵路供電（高架電車線或第三軌） | 0.75 kV ~ 50 kV（AC 或 DC） |
| 小型電子裝置電源（如 5 V USB、3.3 V 邏輯電路） | 3.3 V ~ 5 V（DC）（應用於多種產品） |
電壓的量測方式
電壓表／萬用表（Multimeter）
- 量測電壓時，萬用表需與被測電路並聯。
- 注意不要把萬用表的量測檔位誤設為電流檔，以免造成過大電流燒毀儀器保險絲或損壞電錶。
示波器（Oscilloscope）
- 適合觀察隨時間變化的電壓波形，可測量瞬時電壓、週期與頻率等資訊。
- 特別適合用於交流電（AC）或脈衝電路之波形分析。
電位差計（Potentiometer）
- 過去較常使用的比較式測量法，利用電橋電路原理，以已知電壓與未知電壓平衡，間接求得未知電壓。現代較少使用，通常直接使用萬用表或示波器即可。
歐姆定律與電壓、電流、電阻的關係
歐姆定律（Ohm’s Law）為：
V = I × R
表示在一個歐姆性（線性）導體中，電流 I 與電阻 R 相對應的電壓 V 呈現線性正比的關係。若電阻固定，電壓越高，電流便越大；反之，若電壓固定，電阻越小，電流越大。
實際影響因素
- 線材幾何形狀（長度、粗細）
導線越長越細，電阻越大；越短越粗，電阻越小。 - 溫度與材質
大部分金屬在溫度升高時電阻數值會升高，不同金屬亦會有不同固有電阻率。
在電機工程與電路分析中的應用
電子電路設計
- 電壓源（電池、穩壓電源）是驅動電子元件（電阻、電容、電感、二極體、電晶體等）工作的能量來源。在現代電子設備與電路設計中，電壓的控制與調節是核心技術之一。
功率計算
電功率 P 的計算常用公式：
P = V × I = I² × R = V² / R
理解電壓大小和強度有助於設計保護電路，避免過壓或過流。
電力系統傳輸
- 升壓、降壓變壓器都是在改變交流電壓的大小，以利長距離輸電和終端用戶使用。這在不同地方都能發揮重要作用。
電壓的歷史與命名
- 電壓單位「伏特（Volt）」以發明電堆的義大利物理學家亞歷山卓‧伏打（Alessandro Volta，1745-1827）命名。
- 伏打電堆（Voltaic Pile）是最早的化學電池之一，使人類得以持續產生穩定的電流，為電氣科學的發展立下關鍵基礎。
- 19 世紀末國際電工委員會（IEC）正式將電位差的國際單位定為伏特。
常見問題（FAQ）
問：為什麼電壓會影響電流大小？
答：根據歐姆定律 V=IR，若電阻 R 固定，當電壓 V 增加時，電流 I 也會跟著變大。電壓越高，推動電子的力就越強，自然就有更多的電子在單位時間內通過導體。
問：市電常見的110 V或220 V是怎麼定出來的？
答：早期電力系統發展時，各國在配電設計上各自選擇方便或歷史沿用的電壓標準。如今家用電壓的設計考量包含安全性、設備需求以及歷史因素；例如北美常見 110-120 V，日本採用 100 V，歐洲與亞洲大部分地區使用 220-240 V。
問：什麼是 RMS 電壓？
答：RMS（Root Mean Square）電壓是交流電壓的有效值，代表與同等直流電壓能產生相同熱能效應的交流電壓大小。若交流電壓為單純弦波，峰值電壓約為 RMS 電壓的 2√2 倍。
問：如何量測電壓才不會燒壞儀器？
答：量測電壓時，一定要把量測設備（如萬用表）接在被測電路的並聯位置，並確定萬用表檔位已選擇「電壓檔（V）」。若誤用「電流檔（A）」去量測電壓，會產生過大電流，可能燒壞保險絲或測量儀器本身。
問：高壓一定代表危險嗎？
答：在某些情況下高壓對人來說確實需要嚴格防護。但危險程度也與能提供的電流有關。若高壓源可以輸出足夠大的電流，便會對人體或設備造成極大傷害。因此在高壓應用中，安全絕緣與保護措施都是重點。
問：為什麼在有電感（L）的電路中，電壓定義變得複雜？
答：因為電感在隨時間變化的磁場下，電場不再是保守場；跨越電感兩端的電壓會包含誘導電動勢 -L𝑑𝐼/𝑑𝑡。但在電路模型中，可假設此電壓「在實際路徑」上的線積分定義仍然成立，只是要考慮電感產生的額外影響。
總結
電壓作為電流的「驅動力量」，在電子與電機產業中有著關鍵地位。理解電壓的定義、量測方法、不同類型（DC 與 AC）以及實際應用情境，能夠幫助我們正確使用電器、設計電路並確保系統的安全與效率。從微弱的微伏特量級信號檢測，到高達數百千伏特的大型輸電系統，電壓的控制與掌握在現代社會顯得至關重要。
