電子學/基本概念

什麼是電子學？

電子學是研究電子在各種材料或空間中，在各種條件下流動。過去，電子學研究的是真空管或熱電子管，而今天主要研究的是半導體中的電子流動。然而，儘管這些技術差異，電子學的核心依然是控制電子透過介質的流動。透過控制電子的流動，我們可以使其執行特殊任務，例如為感應電機供電或加熱電阻線圈。

管道類比： 瞭解電子電路的一種簡單方法是將其視為管道。假設你有一個簡單的電路，其中一個電壓源和一個電阻連線在電源的正負極之間。當電路通電時，電子將從負極流過電阻，流入正極。電阻本質上是一種導電路徑，它阻礙了電子的運動。這個電路也可以表示為一個管道網路。在管道網路中，電阻相當於一段管道，水被迫通過幾個障礙才能透過，從而有效地減緩了水流。如果管道是水平的，水就不會以有組織的方式流動，因為管道內的壓力是相等的。然而，如果我們將管道傾斜到垂直位置（類似於開啟電壓源），就會產生壓力差（類似於電壓差），水就會開始透過管道流動。這種水流類似於電路中的電子流動。

電

要理解電子學，你需要了解電以及它是什麼。基本上，電是由於兩點之間電荷差異導致的電子流動。這種電荷差異是由電子密度差異造成的。如果你有一個電子密度高於另一個點的點，那麼高密度區域的電子將想要遷移到低密度區域以平衡電荷。這種遷移被稱為電流。因此，電路中的流動是由在一側比另一側放置更多電子而引起的，迫使它們透過電路來平衡電荷密度。

電荷

觀察告訴我們，物質可以是電中性的（即沒有淨電荷），也可以攜帶正電荷或負電荷。在微觀層面上，負電荷對應於材料中過量的電子（每個電子攜帶一個“單位”的負電荷），而正電荷對應於電子的短缺。我們用 $Q$ 來表示物體的電荷，用庫侖來測量。

庫侖定律

已知兩個帶相同型別電荷的物體相互排斥，而帶相反電荷的物體相互吸引。帶電物體之間的力由庫侖定律給出

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

其中 $Q_{1}$ 和 $Q_{2}$ 是兩個物體的電荷（正或負），$r$ 是它們之間的距離，$k$ 是一個普適常數。

電場

假設我們有一個固定粒子（或一系列固定粒子），那麼我們可以透過應用庫侖定律來計算任何給定（測試）粒子上的力，該粒子帶電荷 $Q$。空間中的每個點都存在一個力；我們說由於（固定的）電荷，存在電場 $E$。任何點的場等於帶電粒子上的淨力除以其電荷，即

$F=EQ$

洛倫茲定律

當運動中的電荷穿過磁場時，磁場會將正電荷向上推，將負電荷向下推，方向垂直於初始運動方向。作用在電荷上的磁力的量級由洛倫茲定律給出

$F=QvB$

電磁力

庫侖力和洛倫茲力的總和稱為電磁力。

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

電和物質

所有物質都與電相互作用，並分為三類：導體、半導體和絕緣體。

導體

容易導電的物質。鋅 (Zn) 和銅 (Cu) 等金屬很容易導電。因此，它們被用來製造導體。

絕緣體

完全不導電的物質。木材和橡膠等非金屬不容易導電。因此，它們被用來製造絕緣體。

半導體

導電效能介於導體和絕緣體之間的物質。例如，矽 (Si) 和鍺 (Ge) 的導電效能比絕緣體好，但比導體差。因此，它們被用來製造半導體。

電和導體

通常，所有導體的淨電荷為零。如果存在電場，它會對導體中的電荷施加壓力，迫使電荷沿直線運動，從而形成沿直線運動的電流。

電壓

電場對電荷施加的壓力稱為電壓，用 V 表示，單位為伏特 (V)，定義為電荷所做的功與電荷量的比值。

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

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

電流

導體中直線運動的電荷流稱為電流，用 I 表示，單位為安培 (A)，定義為單位時間內流過某一截面的電荷量。

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

電導

電導定義為電流與電壓的比值，用 Y 表示，單位為姆歐。

或西門子 (S) $Y={\frac {I}{V}}$

電阻

電阻定義為電壓與電流的比值，用 R 表示，單位為歐姆。

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

通常，導體的電阻隨溫度升高而增大。

對於導體

R = Ro(1 + nT)

對於半導體

R = Ro e^nT

當導體導電時，它會將熱能散發到周圍環境中。這會導致傳輸的電能損失。如果電能供應為 P_V，電能損失為 P_R，那麼傳遞的電能為

P = P_V - P_R

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

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

$P=Cos\theta$

黑體輻射

對導電導體的進一步研究表明，所有導電導體都表現出

1. 溫度變化
2. 將熱能輻射到周圍環境中

實驗

將導體與電源以閉環方式連線。繪製不同頻率 f 下的電流 I 值，得到 I-f 圖。

觀察結果

對於 f<fo

電流隨頻率 f 的增加而增加。

熱輻射以速度 v = λf 傳播，攜帶能量 E = m v²。

對於 f=fo

電流停止增加。

熱輻射以速度 v = c (光速) 傳播，攜帶能量 E = hfo。

對於 f>fo

電流保持在 fo 處的電流值。

熱輻射以速度 v = c (光速) 傳播，攜帶能量 E = h nfo。

結論

1. 所有導電的導體都具有一個閾值頻率 fo。
2. 輻射熱能是一種具有波粒二象性的光波。有時它表現得像粒子，有時它表現得像波。
3. 當頻率 f > fo 時，光的能量被量子化。它只能取 fo 整數倍的值。 E = hf = h nfo