《电导机制》PPT课件.ppt

24 ElectricCurrent電流 ElectricCurrent電流ConductionMechanism電導機制Resistance Ohm sLaw電阻和歐姆定律ElectricPower電功率ElectricalSafety用電安全 Howdoeselectriccurrentheatthislightbulbfilament 電流如何對這燈絲加熱 Wheredoestheenergycomefrom 能量從何而來 Collisionsbetweene ions e與離子間的碰撞 eacceleratedbyE e被E加速 24 1 ElectricCurrent電流 Current I Netrateof chargecrossinganarea 電流 I 通過一面積的淨 電荷速率 I Ampere安培 Electronics I mA電子器材 Biomedics I A生物醫學器材 Steadycurrent 穩定電流 Instantaneouscurrent 瞬間電流 chargesmovingright 電荷往右走 chargesmovingleft電荷往左走 Bothchargesmovingright兩種電荷都往右走 Netcurrent淨電流 Zeronetcurrent無淨電流 GOTIT 24 1 Whichofthefollowingrepresentsanonzerocurrent下列何項代表一非零電流 What sitsdirection 其方向為何 abeamofelectronsmovesfromlefttoright一束電子從左向右走 abeamofprotonsmovesupward一束質子向上走 inasolution positiveionsmoveleft negativeionsmoveright 溶液內 正離子往左 而負離子往右走 blood carrying ionsatthesamespeed movesupthroughavein 血液以相同的速率載着正和負離子 在一條血管內向上走 ametalcarwithnonetchargespeedswestward 一部金屬汽車 無淨電荷 往西奔馳 I RtoL右到左 I up上 I L左 noI無I noI無I Curent AMicroscopicLook電流 微觀看法 vofchargecarriersinmediawithE 0isthermal randomwith v 0 在E 0介質中 電荷載子的v來自熱 隨機 v 0 ForE 0 vd v 0 driftvelocity漂移速度 n numberofcarriersperunitvolume單位體積內電荷載子的數目q chargeoneachcarrier每個載子的電荷 Chargeinthisvolumeis Q nALq 這體積內的電荷是 Example24 1 CopperWire銅線 A5 0 Acurrentflowsinacopperwirewithcross sectionalarea1 0mm2 一個5 0 A電流在一條截面積為1 0mm2的銅線內流動 carriedbyelectronswithnumberdensityn 1 1 1029m 3 載子是密度n 1 1 1029m 3的電子 Findtheelectron sdriftspeed 求電子的漂移速率 TIP Bigdifferencebetweenvd mm sandsignalspeed c 提示 vd mm s與訊號的速率 c有甚大差別 CurrentDensity電流密度 Currentcanflowinill definedpaths vddependsonposition 電流可以順着不甚明確的路徑流動 vd隨位置而異 e g inEarth chemicalsolutions ionizedgas 例 地球 化學溶液 電離氣體 Betterdescriptionofsuchflowsisby描述這些電流最好用currentdensity J currentperunitarea電流密度 J 單位面積的電流 J A m2 Chargedensity電荷密度 Example24 2 CellMembrane細胞膜 Ionchannelsarenarrowporesthatallowionstopassthroughcellmembranes 離子通道是指容許離子穿越細胞膜的狹窄小孔 Aparticularchannelhasacircularcrosssection0 15nminradius 某通道有一圓形截面 其半徑為0 15nm itopensfor1msandpasses1 1 104singlyionizedpotassiumions 它張開了1ms 讓1 1 104個鉀單離子通過 Findboththecurrent thecurrentdensityinthechannel 求通道內的電流和電流密度 4timesmax safecurrentdensityinhouseholdwirings 住宅線路最大安全電流密度的4倍 Lipidmolecules脂分子 ionchannels離子通道 0 3nm AWG10 10號線 24 2 ConductionMechanism電導機制 E 0inconductor導體內 non electrostaticequilibrium非靜電平衡 chargesaccelerated電荷加速Collisions碰撞 steadystate穩態 Ohm slaw microscopicversion歐姆定律 微觀版 conductivity導電率 Ohmicmaterial independentofE歐姆材料 與E無關 resistivity電阻率 V m A m m 1 Nobandgap無帶溝 Largebandgap大帶溝 Smallbandgap小帶溝 Example24 3 HouseholdWiring住宅線路 A1 8 mm diametercopperwirescarries15Atoahouseholdappliance 一條直徑為1 8 mm的銅線把15A送到一台家居電器 FindEinthewire 求線中E GOTIT 24 2 TwowirescarrythesamecurrentI 兩條線上流着一樣的電流I WireAhasalargerdiameter A線比B線有較大的直徑 ahigherdensityofcurrentcarryingelectrons 較高的電子密度 alowerresistivitythanwireB 和較低的電阻率 Rankorder請為兩條線中的下列各量排序thecurrentdensities a 電流密度theelectricfields b 電場thedriftspeedsinthetwowires c 漂移速率 JA JB EA EB vA vB ConductioninMetals金屬內的電傳導 Metal金屬 10 8 10 6 mAtomicstructure polycrystalline 原子結構 多晶Carriers seaof free electrons v 106m s載子 自由 電子海E 0 equal ofemoving directions v 0 往 方向走的e數目相等E 0 Collisionsbetweene ph vd const e ph間的碰撞 Steadystate 穩態 Ohm slaw歐姆定律 relaxationtime鬆弛時間 DuetohighTBosestatisticsofphonons由於聲子的高溫波司统計 Cu c f vth T IonicSolutions離子溶液 Electrolyte Carriers e ions電解液 載子 e 離子 10 4 105 m Examples 例 Ionsthroughcellmembranes 離子穿透細胞膜Electriceels 電鰻 Batteries fuelcells 電瓶和燃料電池 Electroplating 電鍍 Hydrolysis 水解作用 Corrosionofmetal 金屬的銹蝕 Plasmas電漿 Plasma Ionizedgaswithe ionsascarriers 電漿 離子化的氣體 載子包括e和離子 Examples 例 Fluorescentlamps 螢光燈 Plasmadisplays 電漿顯示器 Neonsigns 霓虹燈 Ionosphere 電離層 Flames 火焰 Lightning 閃電 Stars 星球 Rarefiedplasma collisionless cansustainlargeIwithminimalE 稀薄電漿 無碰撞 可以極小E維持大I E g solarcorona 例 日冕 Semiconductor半導體 PuresemiC純半導體 T 0 nomobilechargecarriers 無流動電荷載子T 0 thermallyexcitedcarriers e holes 熱激發載子e和洞 increaseswithT 隨T增 DopedsemiC摻雜半導體 Mobilechargecarriersfromimpurities 雜質提供流動電荷載子 N type carriers e Impurities Donors E g PinSi 負 型 載子 e 雜質 施子 例 硅中的磷 P type carriers h Impurities Acceptors E g BinSi 正 型 載子 h 雜質 受子 例 硅中的硼 Thermalmotiondislodgesane 熱運動逐出一粒e leavingaholebehind 留下一個洞 e hmoveoppositelyinE在E下 e h走的方向相反 Boundejumpsleft hmovedtoright受困的e往左跳 h就往右移 Phosphorouswith5e有5e的磷 PfitsintoSilattice leaving1freeeP嵌入Si晶格中 留下一自由e PNJunction正負接面 Currentflowsinonly1direction電流祇往一個方向走 Nobattery無電池 e hdiffuseacrossjunction recombine e h朝接面擴散並重組 Junctiondepletedofcarriers 接面缺乏載子 Depletionregion乏區 Reversebias逆向偏壓 e hpulledawayfromjunction e h從接面抽離 Depletionregionwidens 乏區擴大 I 0 Forwardbias順向偏壓 e hdrawntojunction e h被拉向接面 Depletionregionvanishes 乏區消失 I 0 Application Transistor應用 三極體 電晶體 Largecurrentchangecontrolledbysmallsignal atgate 以小訊號 加於閘極 控制大電流變化 Amplifier or擴大器 或Digitalswitch 數位開關 Normallychannelisclosed I 0 asoneofthejunctionsisreversebiased 通常通道是關閉的 I 0 因為其中一個接面是逆向偏壓 Vappliedtogateattractsetochannel I 0閘極加上 V會吸引e到通道 I 0 Superconductor超導體 Onnes昂内斯 1911 Hg 0below低於4 2K Muller繆勒etal等 1986 TC 100K Currentrecord目前紀錄 TC 160K YBaCuO TC Applications應用 ElectromagnetsforstrongB 強B電磁鐵 Labs MRI LHC trains 實驗室 磁振造影儀 大強子碰撞機 高鐵 SQUIDSformeasuringweakB 量微弱B的SQUIDS 過渡温度 電阻率 24 3 Resistance Ohm sLaw電阻和歐姆定律 Ohm sLaw歐姆定律 macroscopicversion巨觀版 Opencircuit開路 R I 0 VShortcircuit短路 R 0 I V Resistor pieceofconductormadetohavespecificresistance 電阻器 有特定電阻值的一塊導體 Allheatingelementsareresistors 所有加熱元件都是電阻器 Soareincandescentlightbulbs 白熾燈也是 Table24 2 Microscopic MacroscopicQuantitiesinOhm sLaw表24 2 歐姆定律中的微觀和巨觀量 E J V I R Example24 4 StartingYourCar發動你的車子 Acopperwire0 50cmindiameter 70cmlongconnectsyourcar sbatterytothestartermotor 一條直徑0 50cm 長70cm的銅線把你車子的電瓶連接到起動馬達 What sthewire sresistance 線的電阻為何 Ifthestartermotordrawsacurrentof170A 如果起動馬達需用170A電流 what sthepotentialdifferenceacrossthewire 線兩端的電位差為何 GOTIT 24 3 Thefigureshows3piecesofwire 圖示三條電線 2 aremadefromthesamematerial while 1 和 2 由同樣材料做成 而 3 ismadefrommaterialwithtwicetheresistivity 3 的材料則有兩倍的電阻率 3 havetwicethediameterof 2 1 和 3 的直徑是 2 的兩倍 2 1 Whichhasthehighestresistance 那一條有最大的電阻 Ifthesamevoltageisappliedacrosseach whichwillpassthehighestcurrent 如果每條線都加以同樣電壓 那一條可以通過最大的電流 24 4 ElectricPower電功率 ElectricPower 電功率 fortimeindependentV若V與時間無關 PowerincreasewithR forfixedI 電功率隨R而增 I不變 PowerdecreasewithR forfixedV 電功率隨R而減 V不變 Nocontradiction無衝突 ConceptualExample24 1 ElectricPowerTransmission電力輸送 Power功率 P IV Transmissionloss傳輸損耗 PW I2RW P2RW V2LowI i e highV lowersPWforsameP 低I 即高V 可在同P下降低PW PW V VL 2 RW V PRL V 2 RW seeProb56參考習題56 VL Vbecauseofpowerlossinwire因線內功率損耗 故VL V Longdistancepowertransmissionlinesoperateatveryhighvoltages oftenhundredsofkVs 長程電力輸送都用很高的電壓 往往幾十萬伏 Why 為甚麼 MakingtheConnection連起來 Whatisthecurrentinatypical120V 10