半導(dǎo)體電磁學(xué).ppt

孟振庭編制 渭南師院物理系教授 E mail wnsymzht 電磁學(xué) 校級精品課程 本節(jié)講授 第三章穩(wěn)恒電流 3 2歐姆定律焦耳定律 主講 物理系教授孟振庭 該式稱為均勻電路的歐姆定律 一 均勻電路的歐姆定律 所謂均勻電路 就是一段不含電源的穩(wěn)恒電路 比如給導(dǎo)體兩端加上恒定的電勢差UAB 導(dǎo)體中相應(yīng)地就存在著穩(wěn)恒電流 電勢差越大 電流強度I就越大 導(dǎo)體中的電流強度I和導(dǎo)體兩端的電勢差之間的關(guān)系由實驗得出為 式中R是常數(shù) 稱為導(dǎo)體的電阻 在國際制單位中的單位為歐姆 用 表示 實驗表明歐姆定律它不僅適用于金屬導(dǎo)體 而且對電解質(zhì)溶液也適用 但它對氣態(tài)導(dǎo)體 如日光燈中汞蒸汽 和其它一些導(dǎo)電器件 電子管 晶體管 則不成立 二 電阻定律 一般金屬導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體的材料和幾何形狀有關(guān) 實驗指出 對由一定材料制成的橫截面均勻的導(dǎo)體的電阻 該式稱為電阻定律 式中l(wèi)是導(dǎo)體的長度 S是導(dǎo)體的截面積 比例系數(shù) 是導(dǎo)體的電阻率 單位是歐姆 米 m 大小由材料性質(zhì)決定 電阻基準 電導(dǎo)的單位叫西門子 S 式中 電阻的倒數(shù)叫電導(dǎo) 用符號G表示 即 G 叫電導(dǎo)率 它是電阻率的倒數(shù) 當(dāng)導(dǎo)體的橫截面積不均勻或電阻率不均勻時 導(dǎo)體的電阻 當(dāng)溫度發(fā)生變化時 導(dǎo)體的電阻率也要改變 實驗表明 在通常情況下大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻率 式中 0是0 時導(dǎo)體的電阻率 稱為電阻溫度系數(shù) 其單位為1 不同材料其值不同 由此可見 溫度越高 電阻率越大 一般把電阻率小于10 6 m的材料叫導(dǎo)體 電阻率大于106 m的材料叫絕緣體 電阻率在10 6 106 m之間的材料叫半導(dǎo)體 鍺和硅是最常見的半導(dǎo)體 三 半導(dǎo)體和超導(dǎo)體 半導(dǎo)體材料有以下特點 當(dāng)溫度發(fā)生變化時 其導(dǎo)電性能會急劇變化 溫度升高 其電阻會急劇減小 這與上述的金屬導(dǎo)體完全相反 并且變化不是線性的 適當(dāng)摻雜 其導(dǎo)電性能會急劇增加 光照時其導(dǎo)電性能也會發(fā)生變化 基于以上三點 半導(dǎo)體材料獲得了廣泛的應(yīng)用 由此制作的二極管 三極管 場效應(yīng)管以及集成電路等已成為電子線路最重要的元件 當(dāng)溫度降到某一特定熱力學(xué)溫度Tc時 某些金屬 合金以及金屬化合物的電阻率會幾乎減小到零 這種現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象 能產(chǎn)生超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料叫超導(dǎo)體 超導(dǎo)體處于電阻率為零的狀態(tài)叫超導(dǎo)態(tài) Tc叫做轉(zhuǎn)變溫度 到目前為止 通過對各種金屬的實驗測定 人們已發(fā)現(xiàn)在正常壓力下 有28種元素具有超導(dǎo)電性 其中鈮 Nb 的轉(zhuǎn)變溫度最高 Tc 9 26K 鎢 W 的轉(zhuǎn)變溫度最低 Tc 0 012K 另外有10多種金屬 在加壓和制成高度無序薄膜以后 也會變?yōu)槌瑢?dǎo)體 目前約有5000種合金和化合物具有超導(dǎo)現(xiàn)象 最高轉(zhuǎn)變溫度已達90K 費利 File 等人用核磁共振方法測量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰減 他們得到的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰減時間不短于10萬年 這樣的電流真可稱為永久電流 可見超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時是一種完全導(dǎo)電的理想導(dǎo)體 1933年邁斯納用實驗還證明了 在超導(dǎo)狀態(tài)下 超導(dǎo)體內(nèi)部磁場消失 它是一個理想的抗磁體 超導(dǎo)研究是目前物理學(xué)上一個活躍的領(lǐng)域 其主要工作有以下幾個方面 完善關(guān)于超導(dǎo)電性的理論解釋 提高較變溫度Tc 這直接關(guān)系到超導(dǎo)體的應(yīng)用問題 關(guān)于超導(dǎo)的應(yīng)用研究 在目前世界上競相開展的超導(dǎo)研究熱潮中 我國中科院物理所的研究工作一直走在世界的前列 在通有電流強度I的導(dǎo)體中 沿電流線方向任取一個小圓柱體 通過的電流強度為dI 長度為dl 橫戴面積為dS 使圓柱體的軸線和它所在處的電場強度E的方向一致 面積dS垂直于E 沿電場方向圓柱體兩端的電勢為U和U dU 圓柱體電阻為R 電流密度矢量為j 則 四 歐姆定律的微分形式 而dI jdS 所以 EdS EdS 即j E 稱作歐姆定律的微分形式 它表明導(dǎo)體中任意一點的電流密度與該點的電場強度成正比 且同方向 歐姆定律的微分形式雖是在穩(wěn)恒電流情況下推出的 但對電流變化不很快的非穩(wěn)恒情況也適用 因此它比歐姆定律的積分式I U R更為普遍 五 電功及電熱定律 電流通過一段電路時 電場力作的電功 A qU IUt 電功率 P A t IU 其單位分別為焦?fàn)?J 和瓦 W 此二式是普遍適用的式子而不論何種用電器 在電場力作功過程中 電勢能轉(zhuǎn)變成其他形式的能 如純電阻電路將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 電解池電路將轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能和少量內(nèi)能 電動機電路將轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能和少量內(nèi)能等等 電流通過電阻時產(chǎn)生的熱量由實驗得出為 該式叫電熱定律 也叫焦耳定律 其電熱功率為 電熱功率密度 也稱作焦耳定律的微分形式 它像歐姆定律的微分形式一樣 是對任意一點都是成立的 例題1 長為l 內(nèi)外極半徑分別為rA和rB中間填滿電阻率為 介質(zhì)的圓柱形電容器 極間加以電壓U 試求介質(zhì)的漏電阻 電流密度和極間電場強度 解 設(shè)圓柱形電容器內(nèi)外極板間漏電流為I 由于漏電流是沿徑向從內(nèi)向外對稱分布的 因而在距圓柱軸線r處 總電流I所通過的截面積