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第二十一章

第二十一章. 電流與直流電路. 21.1. 電流. 電流. 電流為通過某一導體截面的電荷流率 在 SI 單位系統中電流的單位為安培 ( A) 1安培 = 1 庫倫/秒 1 A = 1 C/s 電流的代表符號為 I. 平均電流. 假設電荷垂直面 A 移動 如果 D Q 代表在時間 D t 內穿過截面 A 的總電量，那麼平均電流可以寫成. 瞬時電流. 如果電荷流率隨時間改變，那麼瞬時電流可以寫成. 電流的方向. 通過某一截面的電荷可以是正電荷，可以是負電荷，也可以正負電荷同時通過。 把正電荷流動的方向定為電流方向，是相當方便的方法

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第二十一章

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  1. 第二十一章 電流與直流電路

  2. Ch21 電流與直流電路

  3. 21.1 電流

  4. 電流 • 電流為通過某一導體截面的電荷流率 • 在 SI 單位系統中電流的單位為安培 (A) 1安培 = 1 庫倫/秒 • 1 A = 1 C/s • 電流的代表符號為 I Ch21 電流與直流電路

  5. 平均電流 • 假設電荷垂直面 A 移動 • 如果DQ代表在時間 Dt內穿過截面 A的總電量，那麼平均電流可以寫成 Ch21 電流與直流電路

  6. 瞬時電流 • 如果電荷流率隨時間改變，那麼瞬時電流可以寫成 Ch21 電流與直流電路

  7. 電流的方向 • 通過某一截面的電荷可以是正電荷，可以是負電荷，也可以正負電荷同時通過。 • 把正電荷流動的方向定為電流方向，是相當方便的方法 • 電子流動的方向與電流方向相反 • 習慣上我們對一個移動的電荷，稱其為帶電載子 Ch21 電流與直流電路

  8. 電流與漂移速率 • 帶電粒子通過截面積為 A 的導體 • n 為導體上每單位體積內的載體濃度 • nADx為 Dx長度內載體的總數 Ch21 電流與直流電路

  9. 電流與漂移速率 • 總電量為每一載體所帶電量q乘上總載體數 • 漂移速率vd為載體移動的速率 • 將總電量式中的Dx用 vd取代 • 最後得到電流的表示法 Ch21 電流與直流電路

  10. 導體中載體的運動 • 右圖彎彎曲曲的黑線代表載體在導體中移動的情形 • 載體的淨漂移速率並不大 • 圖中載體運動的方向在受到與其他粒子碰撞時會突然改變 • 電子的淨運動方向與外加電場的方向相反 Ch21 電流與直流電路

  11. 導體中載體的運動 • 當加一電位差於導體二端，導體內部就會產生電場 • 導體內部的電場會對導體內的電子施力 • 作用於電子上的電力會使電子加速運動，因而產生電流 Ch21 電流與直流電路

  12. 導體中載體的運動 • 促使電子在導體中移動的電場，它變化的速率幾近光速 • 這就是何以在開關接通的瞬間電器馬上就有反應的原因 • 電子並不需要由電燈的開關經由導線抵達燈泡後燈才會亮 • 事實上電子早已存在於燈泡的燈絲中 • 它們只是在對電源所提供的電場做一反應而已 Ch21 電流與直流電路

  13. If you can't see the image above, please install • If this active figure can’t auto-play, please click right button, then click play. NEXT Ch21 電流與直流電路

  14. 簡答題 21.1 • 考慮正與負電荷同時水平行經如圖21.3所示的四個區域，將四個區域的電流，由最低到最高排序。 Ch21 電流與直流電路

  15. 簡答題 21.1 • (d)，(b) = (c)，(a)。在 (d) 部分的電流等於兩個正電荷向左移動，(b) 與 (c) 各自代表四個電荷以同方向運動，因為往左運動的負電荷是等同於往右運動的正電荷，至於 (a) 部分的電流等於五個正電荷向右運動。 Ch21 電流與直流電路

  16. 漂移速度－相關例子 • 想像有一條銅線，它的每一個原子貢獻一個自由電子來產生電流 • 對一條12號規格銅線有10 安培電流通過時，載的漂移速率為 2.22 × 10-4公尺/秒 • 這是漂移速率典型的數量級 Ch21 電流與直流電路

  17. 電流密度 • 導體的電流密度用 J 表示 • 電流密度是指單位面積所通過的電流 • 上述對電流密度的定義，僅適用於電流密度是均勻的，且面積 A與電流方向垂直的情形 • 在 SI 單位系統中 J的單位為安培/公尺2 • 電流密度的方向為正電荷移動的方向 Ch21 電流與直流電路

  18. 導電率 • 只要導體上維持一個電位差，在這導體中就會有電場 E 與電流密度J J = sE • 上式中的比例常數s稱為導體的導電率(電導係數) Ch21 電流與直流電路

  19. 例題21.1 • 一條截面積為 的銅線載有10.0 A的電流，則此銅線的漂移速率為何？假設每一個銅原子貢獻一個自由電子給電流，銅的密度為 • 解答 Ch21 電流與直流電路

  20. 例題21.1(續) Ch21 電流與直流電路

  21. 21.2 電阻與歐姆定律

  22. 導體中，跨於導體二端的電位差，與流經導體的電流成正比導體中，跨於導體二端的電位差，與流經導體的電流成正比 而電位差與電流的比例常數 R 稱為電阻 電阻 Ch21 電流與直流電路

  23. 電阻 • 在SI 單位系統中電阻的單位為歐姆 () • 1歐姆 = 1 伏特/安培 (1  = 1 V/A) • 線路中的電阻起因於電流載體與導體中固定原子間的碰撞 Ch21 電流與直流電路

  24. 歐姆定律 • 歐姆定律指出，對許多材料而言，在蠻大的一個電壓範圍內，材料上的電阻值維持一常數 • 多數的金屬遵循歐姆定律 • 遵守歐姆定律的材料稱歐姆材料 • 並非所有材料都遵循歐姆定律 • 不遵循歐姆定律的材料稱為非歐姆材料 • 歐姆定律並非自然界的基本法則 • 歐姆定律是一個經驗法則，它僅對某些材料適用 Ch21 電流與直流電路

  25. 歐姆材料－V-I圖形 • 以歐姆材料製成的電子組件 • 它的電阻在相當大的電壓範圍內均保持一定 • 它的電流與電壓關係為一條直線 • 直線的斜率與該材料的電阻有關 Ch21 電流與直流電路

  26. 非歐姆材料－I-V圖形 • 非歐姆材料它們的電阻會隨電壓或電流改變 • 這種材料的電流-電壓曲線不是條直線 • 二極體是這種非歐姆電子組件最常見的代表 Ch21 電流與直流電路

  27. 簡答題 21.2 • 在圖21.6b中，當外加電壓增加時，則二極體的電阻 (a) 增加；(b) 減少；或 (c) 保持不變？ Ch21 電流與直流電路

  28. 簡答題 21.2 • (b)。依照 (21.6) 式，電阻是元件上電壓對電流的比值。在圖21.6b中，從原點到曲線上的一點連成一線，其斜率為 I / DV，此為電阻的倒數。當DV 增加時，這條線的斜率也隨之增加，以致於電阻減少。 Ch21 電流與直流電路

  29. 電阻率 • 電阻的大小和電阻元件的幾何形狀有關： • 式中 r稱為材料的電阻率 • 電阻率的倒數即為該材料的電導係數： • s= 1 /r且R = ℓ /sA • 在 SI 單位系統中，電阻率的單位為歐姆‧公尺 (W‧m) Ch21 電流與直流電路

  30. 某些材料的電阻率值 Ch21 電流與直流電路

  31. 電阻與電阻率 • 電阻率為物質的一種特性 • 電阻為某一物體的特性 • 某一物體的電阻值決定於該物的幾何形狀以及電阻率 • 理想(完全)導體，其電阻值為零 • 一個理想絕緣體，它的電阻率值為無限大 Ch21 電流與直流電路

  32. 電阻器 • 大多數的電路都會用到電阻器這種電子元件 • 電阻是被用來控制電路中某些部分的電流大小 • 電阻器可以相互組合或繞成旋狀 Ch21 電流與直流電路

  33. 電阻器 • 電阻的大小通常以有色的條狀記號來表示 Ch21 電流與直流電路

  34. 例題21.2 A.求出半徑為0.321 mm之22號鎳鉻導線，其單位長度之電阻。 • 解答 Ch21 電流與直流電路

  35. 例題21.2(續) B.若通過1.0 m長之鎳鉻導線的電位差維持在 10 V，則導線的電流為何？ • 解答 Ch21 電流與直流電路

  36. 電阻與溫度 • 在某一溫度範圍內，導體的電阻率大約隨溫度線性增加 • 式中 r0代表在某一參考溫度T0時的電阻率 • 一般 T0均取在 20° C •  為電阻率的溫度係數，單位為 (oC)-1 Ch21 電流與直流電路

  37. 電阻隨溫度變化的關係 • 因為對一截面積均勻的導體來說，它的電阻僅與電阻率有關，所以我們可以找到該導體的電阻與溫度關係 Ch21 電流與直流電路

  38. 簡答題 21.3 • 何時的燈泡載有更多電流，(a) 在開關剛打開後，金屬燈絲的白熱光亮度正增加時；(b) 在開關打開後經過幾秒，等其白熱光穩定？ Ch21 電流與直流電路

  39. 簡答題 21.3 • (a)。當燈絲置於室溫時，其為低電阻相對的電流大，當燈絲溫度增加時，電阻增加使得電流減少。 Ch21 電流與直流電路

  40. 例題21.3 • 所謂電阻式溫度計，乃是利用導體之電阻值變化來測量溫度，白金在20.0°C時電阻為50.0 ，當將其埋入融溶的銦時，其電阻增加至76.8 ，若電阻在此溫度範圍內隨溫度呈線性增加，則銦的熔點為何？ • 解答 Ch21 電流與直流電路

  41. 21.3 超導體

  42. 電阻率溫度－P-T的圖形關係 • 對金屬來說它的電阻率與溫度成正比 • 出現非線性關係的區域，一般都是在相當低溫的時候 • 當溫度趨近絕對溫度的 0 k 時，電阻率值通常會呈現出某一固定的值 Ch21 電流與直流電路

  43. 殘餘電阻率 • 溫度在絕對零度附近所出現的殘(剩)餘電阻率，主要來自於電子與金屬內的雜質以及結構缺陷產生的碰撞 • 高溫時的電阻率，主要由電子與金屬原子的碰撞所貢獻 • 這些效果反應在P-T圖的直線區域 Ch21 電流與直流電路

  44. 超導體 • 有某幾種金屬以及複合物，它們的電阻率在溫度低於某一值TC 時，會趨近於零 • TC稱為臨界溫度 • 溫度在TC之上時，P-T圖的曲線與一般金屬相似，但是高溫度降至TC時，電阻率會突降為零 Ch21 電流與直流電路

  45. 超導體 • 臨界溫度TC受下列因素的影響甚鉅： • 化學的成分 • 壓力 • 晶體結構 • 一旦在超導體中產生了一個電流，它不需提供任何電壓，就能夠讓電流在該超導體中持續存在 • 因為這時的導體電阻R = 0 Ch21 電流與直流電路

  46. Ch21 電流與直流電路

  47. 21.4 電的導電模型

  48. 超導體的應用 • 超導體的重要用途之一為超導磁鐵 • 超導磁鐵的磁場是一般電磁鐵的10倍以上 Ch21 電流與直流電路

  49. 導體內導電的機制－以一個模型來描述 • 導體中自由電子移動的速率約在 106公尺/秒的數量級 • 自由電子並非絲毫不受束縛，因為這些電子仍被導體侷限於導體內 • 電子的運動是隨機的 • 電子運動時會遭遇多次的碰撞 • 導體內所有電子的平均速度為零 Ch21 電流與直流電路

  50. 導電的模式 • 導體被加一個電場 • 電場調控材料內電荷載體的運動 • 電子會沿著電場的反方向漂移 • 漂移速率的平均值約在 10-4公尺/秒的數量級，遠遠小於二次碰撞間的電子速率 Ch21 電流與直流電路

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