半導體電磁學.ppt

孟振庭編制 渭南師院物理系教授 E mail wnsymzht 電磁學 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 比如給導體兩端加上恒定的電勢差UAB 導體中相應地就存在著穩(wěn)恒電流 電勢差越大 電流強度I就越大 導體中的電流強度I和導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體 而且對電解質(zhì)溶液也適用 但它對氣態(tài)導體 如日光燈中汞蒸汽 和其它一些導電器件 電子管 晶體管 則不成立 二 電阻定律 一般金屬導體電阻的大小與導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體的電阻 該式稱為電阻定律 式中l(wèi)是導體的長度 S是導體的截面積 比例系數(shù) 是導體的電阻率 單位是歐姆 米 m 大小由材料性質(zhì)決定 電阻基準 電導的單位叫西門子 S 式中 電阻的倒數(shù)叫電導 用符號G表示 即 G 叫電導率 它是電阻率的倒數(shù) 當導體的橫截面積不均勻或電阻率不均勻時 導體的電阻 當溫度發(fā)生變化時 導體的電阻率也要改變 實驗表明 在通常情況下大多數(shù)金屬導體的電阻率 式中 0是0 時導體的電阻率 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之間的材料叫半導體 鍺和硅是最常見的半導體 三 半導體和超導體 半導體材料有以下特點 當溫度發(fā)生變化時 其導電性能會急劇變化 溫度升高 其電阻會急劇減小 這與上述的金屬導體完全相反 并且變化不是線性的 適當摻雜 其導電性能會急劇增加 光照時其導電性能也會發(fā)生變化 基于以上三點 半導體材料獲得了廣泛的應用 由此制作的二極管 三極管 場效應管以及集成電路等已成為電子線路最重要的元件 當溫度降到某一特定熱力學溫度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)象叫超導現(xiàn)象 能產(chǎn)生超導電現(xiàn)象的材料叫超導體 超導體處于電阻率為零的狀態(tài)叫超導態(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w 目前約有5000種合金和化合物具有超導現(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電流產(chǎn)生的磁場來研究螺線管內(nèi)超導電流的衰減 他們得到的結(jié)論是超導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 可見超導體處于超導態(tài)時是一種完全導電的理想導體 1933年邁斯納用實驗還證明了 在超導狀態(tài)下 超導體內(nèi)部磁場消失 它是一個理想的抗磁體 超導研究是目前物理學上一個活躍的領(lǐng)域 其主要工作有以下幾個方面 完善關(guān)于超導電性的理論解釋 提高較變溫度Tc 這直接關(guān)系到超導體的應用問題 關(guān)于超導的應用研究 在目前世界上競相開展的超導研究熱潮中 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 其單位分別為焦爾 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