电子学/基本概念

什么是电子学？

电子学是研究电子在各种材料或空间中，在各种条件下流动。过去，电子学研究的是真空管或热电子管，而今天主要研究的是半导体中的电子流动。然而，尽管这些技术差异，电子学的核心依然是控制电子通过介质的流动。通过控制电子的流动，我们可以使其执行特殊任务，例如为感应电机供电或加热电阻线圈。

管道类比： 了解电子电路的一种简单方法是将其视为管道。假设你有一个简单的电路，其中一个电压源和一个电阻连接在电源的正负极之间。当电路通电时，电子将从负极流过电阻，流入正极。电阻本质上是一种导电路径，它阻碍了电子的运动。这个电路也可以表示为一个管道网络。在管道网络中，电阻相当于一段管道，水被迫通过几个障碍才能通过，从而有效地减缓了水流。如果管道是水平的，水就不会以有组织的方式流动，因为管道内的压力是相等的。然而，如果我们将管道倾斜到垂直位置（类似于开启电压源），就会产生压力差（类似于电压差），水就会开始通过管道流动。这种水流类似于电路中的电子流动。

电

要理解电子学，你需要了解电以及它是什么。基本上，电是由于两点之间电荷差异导致的电子流动。这种电荷差异是由电子密度差异造成的。如果你有一个电子密度高于另一个点的点，那么高密度区域的电子将想要迁移到低密度区域以平衡电荷。这种迁移被称为电流。因此，电路中的流动是由在一侧比另一侧放置更多电子而引起的，迫使它们通过电路来平衡电荷密度。

电荷

观察告诉我们，物质可以是电中性的（即没有净电荷），也可以携带正电荷或负电荷。在微观层面上，负电荷对应于材料中过量的电子（每个电子携带一个“单位”的负电荷），而正电荷对应于电子的短缺。我们用 $Q$ 来表示物体的电荷，用库仑来测量。

库仑定律

已知两个带相同类型电荷的物体相互排斥，而带相反电荷的物体相互吸引。带电物体之间的力由库仑定律给出

$F=k{\frac {Q_{1}\cdot Q_{2}}{r^{2}}},$

其中 $Q_{1}$ 和 $Q_{2}$ 是两个物体的电荷（正或负），$r$ 是它们之间的距离，$k$ 是一个普适常数。

电场

假设我们有一个固定粒子（或一系列固定粒子），那么我们可以通过应用库仑定律来计算任何给定（测试）粒子上的力，该粒子带电荷 $Q$。空间中的每个点都存在一个力；我们说由于（固定的）电荷，存在电场 $E$。任何点的场等于带电粒子上的净力除以其电荷，即

$F=EQ$

洛伦兹定律

当运动中的电荷穿过磁场时，磁场会将正电荷向上推，将负电荷向下推，方向垂直于初始运动方向。作用在电荷上的磁力的量级由洛伦兹定律给出

$F=QvB$

电磁力

库仑力和洛伦兹力的总和称为电磁力。

$F=F+F=QE+QvB=Q(E+vB)$

电和物质

所有物质都与电相互作用，并分为三类：导体、半导体和绝缘体。

导体

容易导电的物质。锌 (Zn) 和铜 (Cu) 等金属很容易导电。因此，它们被用来制造导体。

绝缘体

完全不导电的物质。木材和橡胶等非金属不容易导电。因此，它们被用来制造绝缘体。

半导体

导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。例如，硅 (Si) 和锗 (Ge) 的导电性能比绝缘体好，但比导体差。因此，它们被用来制造半导体。

电和导体

通常，所有导体的净电荷为零。如果存在电场，它会对导体中的电荷施加压力，迫使电荷沿直线运动，从而形成沿直线运动的电流。

电压

电场对电荷施加的压力称为电压，用 V 表示，单位为伏特 (V)，定义为电荷所做的功与电荷量的比值。

$V={\frac {W}{Q}}$

$V={\frac {P}{I}}$

电流

导体中直线运动的电荷流称为电流，用 I 表示，单位为安培 (A)，定义为单位时间内流过某一截面的电荷量。

$I={\frac {Q}{t}}$

电导

电导定义为电流与电压的比值，用 Y 表示，单位为姆欧。

或西门子 (S) $Y={\frac {I}{V}}$

电阻

电阻定义为电压与电流的比值，用 R 表示，单位为欧姆。

$R={\frac {V}{I}}$

通常，导体的电阻随温度升高而增大。

对于导体

R = Ro(1 + nT)

对于半导体

R = Ro e^nT

当导体导电时，它会将热能散发到周围环境中。这会导致传输的电能损失。如果电能供应为 P_V，电能损失为 P_R，那么传递的电能为

P = P_V - P_R

$P=IV-I^{2}R=IV-{\frac {V^{2}}{R}}$

$P=I(V-IR)=V(I-{\frac {V}{R}})$

$P=Cos\theta$

黑体辐射

对导电导体的进一步研究表明，所有导电导体都表现出

1. 温度变化
2. 将热能辐射到周围环境中

实验

将导体与电源以闭环方式连接。绘制不同频率 f 下的电流 I 值，得到 I-f 图。

观察结果

对于 f<fo

电流随频率 f 的增加而增加。

热辐射以速度 v = λf 传播，携带能量 E = m v²。

对于 f=fo

电流停止增加。

热辐射以速度 v = c (光速) 传播，携带能量 E = hfo。

对于 f>fo

电流保持在 fo 处的电流值。

热辐射以速度 v = c (光速) 传播，携带能量 E = h nfo。

结论

1. 所有导电的导体都具有一个阈值频率 fo。
2. 辐射热能是一种具有波粒二象性的光波。有时它表现得像粒子，有时它表现得像波。
3. 当频率 f > fo 时，光的能量被量子化。它只能取 fo 整数倍的值。 E = hf = h nfo