血液以相同的速率載著正和負(fù)離子

血液以相同的速率載著正和負(fù)離子第一頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Howdoeselectriccurrentheatthislightbulbfilament?電流如何對(duì)這燈絲加熱？Wheredoestheenergycomefrom?能量從何而來(lái)？Collisionsbetweene&ions.e與離子間的碰撞。eacceleratedbyE.e被E加速。第二頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日24.1.ElectricCurrent 電流Current(I)=Netrateof(+)chargecrossinganarea.電流

(I)=通過(guò)一面積的淨(jìng)(+)電荷速率。[I]=Ampere安培Electronics:

I~mA

電子器材Biomedics:I~A生物醫(yī)學(xué)器材Steadycurrent:穩(wěn)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(jìng)電流Zeronetcurrent無(wú)淨(jìng)電流第三頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日GOTIT?24.1Whichofthefollowingrepresentsanonzerocurrent下列何項(xiàng)代表一非零電流？What’sitsdirection? 其方向?yàn)楹危縜beamofelectronsmovesfromlefttoright 一束電子從左向右走，abeamofprotonsmovesupward 一束質(zhì)子向上走，inasolution,positiveionsmoveleft&negativeionsmoveright,溶液內(nèi)，正離子往左，而負(fù)離子往右走，blood,carrying+&ionsatthesamespeed,movesupthroughavein,血液以相同的速率載著正和負(fù)離子，在一條血管內(nèi)向上走，ametalcarwithnonetchargespeedswestward.一部金屬汽車(chē)，無(wú)淨(jìng)電荷，往西奔馳。I,RtoL右到左I,up上I,L左noI無(wú)InoI無(wú)I第四頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Curent:AMicroscopicLook 電流：微觀看法vofchargecarriersinmediawithE=0is

thermal(randomwithv=0).在E=0介質(zhì)中，電荷載子的v來(lái)自熱(隨機(jī)：v=0)ForE

0,vd=v0.

driftvelocity漂移速度n=numberofcarriersperunitvolume

單位體積內(nèi)電荷載子的數(shù)目q=chargeoneachcarrier

每個(gè)載子的電荷ChargeinthisvolumeisQ=nALq.這體積內(nèi)的電荷是第五頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Example24.1.CopperWire 銅線(xiàn)A5.0-Acurrentflowsinacopperwirewithcross-sectionalarea1.0mm2,一個(gè)5.0-A電流在一條截面積為1.0mm2

的銅線(xiàn)內(nèi)流動(dòng)，

carriedbyelectronswithnumberdensityn=1.11029m3.載子是密度n=1.11029m3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(hào)的速率~

c有甚大差別。第六頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日CurrentDensity 電流密度Currentcanflowinill-definedpaths(vddependsonposition),電流可以順著不甚明確的路徑流動(dòng)(vd

隨位置而異)， e.g.,inEarth,chemicalsolutions,ionizedgas,…

例：地球，化學(xué)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第七頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Example24.2.CellMembrane 細(xì)胞膜Ionchannelsarenarrowporesthatallowionstopassthroughcellmembranes.離子通道是指容許離子穿越細(xì)胞膜的狹窄小孔。Aparticularchannelhasacircularcrosssection0.15nminradius;某通道有一圓形截面，其半徑為0.15nm；itopensfor1msandpasses1.1104singlyionizedpotassiumions.它張開(kāi)了1ms，讓1.1104個(gè)鉀單離子通過(guò)。Findboththecurrent&thecurrentdensityinthechannel.求通道內(nèi)的電流和電流密度。~4timesmax.safecurrentdensityinhouseholdwirings~住宅線(xiàn)路最大安全電流密度的4倍Lipidmolecules脂分子ionchannels離子通道~0.3nmAWG10:10號(hào)線(xiàn)第八頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日24.2.ConductionMechanism 電導(dǎo)機(jī)制E

0inconductor導(dǎo)體內(nèi) non-electrostaticequilibrium非靜電平衡

chargesaccelerated 電荷加速 Collisions碰撞

steadystate 穩(wěn)態(tài)Ohm’slaw,microscopicversion歐姆定律，微觀版conductivity導(dǎo)電率Ohmicmaterial:independentofE

歐姆材料：與E無(wú)關(guān)resistivity電阻率[]Vm/Am[](m)1第九頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Nobandgap無(wú)帶溝Largebandgap大帶溝Smallbandgap小帶溝Material材料Resistivity電阻率(m)Metallicconductors金屬導(dǎo)體(20C)Aluminum鋁2.65108Copper銅1.68108Gold金2.24108Iron鐵9.71108Mercury汞9.84107Silver銀1.59108Ionicsolutions離子溶液(inwater水中,18C)1-molarCuSO43.91041-molarHCl1.71021-molarNaCl1.4104H2O2.6105Blood,human血，人的0.70Seawater(typical)(海水典型)0.22Semiconductors半導(dǎo)體(pure純,20C)Germanium鍺0.47Silicon硅(舊名矽)23.0Insulators絕緣體Ceramics陶瓷10111014Glass玻璃10101014Polystyrene聚苯乙烯(保麗龍)10151017Rubber橡膠10131016Wood(dry)木(乾的)1081014第十頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Example24.3.HouseholdWiring 住宅線(xiàn)路A1.8-mm-diametercopperwirescarries15Atoahouseholdappliance.一條直徑為1.8-mm的銅線(xiàn)把15A送到一臺(tái)家居電器。FindEinthewire. 求線(xiàn)中E。第十一頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日GOTIT?24.2TwowirescarrythesamecurrentI. 兩條線(xiàn)上流著一樣的電流I

。WireAhasalargerdiameter, A線(xiàn)比B線(xiàn)有較大的直徑，ahigherdensityofcurrentcarryingelectrons, 較高的電子密度，&alowerresistivitythanwireB. 和較低的電阻率。Rankorder 請(qǐng)為兩條線(xiàn)中的下列各量排序thecurrentdensities, (a)電流密度theelectricfields, (b)電場(chǎng)thedriftspeedsinthetwowires. (c)漂移速率JA<JBEA<EBvA<vB第十二頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日ConductioninMetals 金屬內(nèi)的電傳導(dǎo)Metal金屬:~108106mAtomicstructure:polycrystalline. 原子結(jié)構(gòu)：多晶Carriers:seaof“free”electrons,v~106m/s載子：”自由”電子海E=0:equal#ofemovingdirectionsv

=0.

往方向走的e數(shù)目相等E

0:Collisionsbetweene-e&e-phvd

~const.

e-e&e-ph間的碰撞Steadystate:穩(wěn)態(tài)：Ohm’slaw歐姆定律=relaxationtime鬆弛時(shí)間DuetoFermistatistics由於費(fèi)米統(tǒng)計(jì)CuMatterwaves物質(zhì)波c.f.,vth

T第十三頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日IonicSolutions 離子溶液Electrolyte:Carriers=e+ions

電解液：載子=e+離子~104105mExamples: 例:Ionsthroughcellmembranes. 離子穿透細(xì)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。第十四頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日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(wú)碰撞)可以極小E維持大I。E.g.,solarcorona. 例:日冕。第十五頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Semiconductor 半導(dǎo)體PuresemiC純半導(dǎo)體

:T=0, nomobilechargecarriers. 無(wú)流動(dòng)電荷載子T0, thermallyexcitedcarriers,e&holes. 熱激發(fā)載子e和洞 increaseswithT 隨T增DopedsemiC摻雜半導(dǎo)體

:Mobilechargecarriersfromimpurities. 雜質(zhì)提供流動(dòng)電荷載子。N-type:carriers=e.Impurities=Donors.E.g.PinSi.負(fù)-型：載子=e。雜質(zhì)=施子。

例：硅中的磷。P-type:carriers=h.Impurities=Acceptors.E.g.BinSi.正-型：載子=h。雜質(zhì)=受子。

例：硅中的硼。Thermalmotiondislodgesane...熱運(yùn)動(dòng)逐出一粒e……leavingaholebehind.…留下一個(gè)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。第十六頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日PNJunction 正負(fù)接面Currentflowsinonly1direction電流祇往一個(gè)方向走Nobattery無(wú)電池:e&hdiffuseacrossjunction&recombine.e&h朝接面擴(kuò)散並重組。Junctiondepletedofcarriers.接面缺乏載子。Depletionregion乏區(qū)Reversebias逆向偏壓:e&hpulledawayfromjunction.e&h從接面抽離。Depletionregionwidens.乏區(qū)擴(kuò)大。I~0.Forwardbias順向偏壓:e&hdrawntojunction.e&h被拉向接面。Depletionregionvanishes.乏區(qū)消失。I0.第十七頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Application:Transistor 應(yīng)用：三極體（電晶體）Largecurrentchangecontrolledbysmallsignal(atgate):以小訊號(hào)(加於閘極)控制大電流變化： Amplifier,or 擴(kuò)大器，或 Digitalswitch. 數(shù)位開(kāi)關(guān)。Normallychannelisclosed(I=0)asoneofthejunctionsisreversebiased.通常通道是關(guān)閉的(I=0)，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)接面是逆向偏壓。+Vappliedtogateattractsetochannel:I

0閘極加上+V會(huì)吸引e到通道：I

0第十八頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Superconductor 超導(dǎo)體Onnes昂內(nèi)斯(1911):Hg=0below低於4.2K.Muller繆勒etal等(1986):TC~100K.Currentrecord目前紀(jì)錄:TC~160K.YBaCuOTC=Applications應(yīng)用:ElectromagnetsforstrongB:強(qiáng)B電磁鐵：Labs,MRI,LHC,trains…實(shí)驗(yàn)室，磁振造影儀，大強(qiáng)子碰撞機(jī)，高鐵…SQUIDSformeasuringweakB.量微弱B的SQUIDS。過(guò)渡溫度電阻率第十九頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日24.3.Resistance&Ohm’sLaw 電阻和歐姆定律Ohm’sLaw歐姆定律macrscopicversion巨觀版Opencircuit開(kāi)路: R I=0VShortcircuit短路: R=0 IVResistor:pieceofconductormadetohavespecificresistance.電阻器：有特定電阻值的一塊導(dǎo)體。Allheatingelementsareresistors. 所有加熱元件都是電阻器。Soareincandescentlightbulbs. 白熾燈也是。第二十頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Table24.2.Microscopic&MacroscopicQuantitiesinOhm’sLaw

表24.2.歐姆定律中的微觀和巨觀量MicroscopicMacroscopicRelationEJVIR第二十一頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Example24.4.StartingYourCar 發(fā)動(dòng)你的車(chē)子Acopperwire0.50cmindiameter&70cmlongconnectsyourcar’sbatterytothestartermotor.一條直徑0.50cm，長(zhǎng)70cm的銅線(xiàn)把你車(chē)子的電瓶連接到起動(dòng)馬達(dá)。What’sthewire’sresistance? 線(xiàn)的電阻為何？Ifthestartermotordrawsacurrentof170A, 如果起動(dòng)馬達(dá)需用170A電流，what’sthepotentialdifferenceacrossthewire? 線(xiàn)兩端的電位差為何？第二十二頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日GOTIT?24.3Thefigureshows3piecesofwire. 圖示三條電線(xiàn)。&(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(xiàn)都加以同樣電壓，那一條可以通過(guò)最大的電流？第二十三頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日24.4.ElectricPower 電功率ElectricPower:電功率：fortimeindependentV若V與時(shí)間無(wú)關(guān)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(wú)衝突第二十四頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日Example24.5.Lightbulb 燈泡Thevoltageintypicalhouseholdwiringis120V.住宅線(xiàn)路的電壓通常是120V。Howmuchcurrentdoesa100Wlightbulbdraw?一個(gè)100W的燈泡要用多少電流？What’sthebulb’sresistanceundertheseconditions?這種情況下，燈泡的電阻為何？第二十五頁(yè)，共二十八頁(yè)，2022年，8月28日ElectricPowerTransmission 電力輸送UsersafetylowV.用戶(hù)安全

低VTransmissionloss輸送損耗P=I2

R

LowI,i.e.,highV

低I

，即高VseeProb56VL

<Vbecauseofpowerl