phymath999: 德鲁德模型，電子的平均移動速度是漂移速度，其漂移速度的方向與電場方向相反

Tuesday, January 1, 2013

德鲁德模型，電子的平均移動速度是漂移速度，其漂移速度的方向與電場方向相反

欧姆定律

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歐姆定律的參數是 $V$ 、 $I$ 、 $R$ 。

在電路學裏，欧姆定律（英语：Ohm's law）表明，导电体两端的电压与通过导电体的电流成正比^[1]，以方程式表示，

$V=IR$ ；

其中， $V$ 是電壓（也可以標記為 $U$ ，方程式表示為 $U=IR$ ）， $I$ 是電流，比例常數 $R$ 是電阻。
虽然导电体是由导电物质组成，导电体也具有微小的电阻。對於任意导电体、電阻器、電路元件、電路等等，電阻的定義方程式為^[1]

$R\ \stackrel{def}{=}\ \frac{V}{I}$ 。

不論電流、電壓為何，電阻定義為電壓除以電流。在歐姆定律裏，電阻與電流、電壓無關。並不是每一種元件都遵守歐姆定律。歐姆定律是經過多次實驗而推斷的法則，只有在理想狀況下，才會成立。凡是遵守歐姆定律的元件或電路都稱為「歐姆元件」或「歐姆電路」，其電阻與電流、電壓無關；不遵守歐姆定律的元件或電路稱為「非歐姆元件」或「非歐姆電路」，其電阻可能會與電流、電壓有關。
歐姆定律是因德國物理學家格奧爾格·歐姆命名。於1827年，在他發表的一本通論《直流電路的數學研究》（The galvanic Circuit investigated mathematically）裏^[2]，他詳細的論述簡單電路兩端的電壓與流動於電路的電流之間的關係。他所論述的關係比較複雜，稍後會有更詳細說明。上述方程式乃是歐姆定律的現代版本。
對於電阻物質或導電物質，歐姆定律可以推廣為

$\mathbf{E} = \rho \mathbf{J}$ 、

$\mathbf{J} = \sigma \mathbf{E}$ ；

其中， $\mathbf{E}$ 是電場， $\mathbf{J}$ 是物質的電流密度， $\rho$ 是物質的電阻率， $\sigma=1/\rho$ 是物質的電導率。
遵守歐姆定律的物質，稱為「歐姆物質」，其電阻率 $\rho$ 和電導率 $\sigma$ 與電流密度、電場無關^[1]。

[编辑] 歷史

早於1753年，義大利物理學家喬凡尼·貝卡立亞（Giovanni Beccaria）就在研究物質的導電性質。他在電路裏加裝了盛滿了水的玻璃管。當開啟電路後，發現玻璃管的截面面積越大，電流的放電強度越大^[3]。
亨利·卡文迪什也做了很多實驗，研究電動勢、電流、電阻之間的關係。他使用萊頓瓶為電流源，將電流通過在各種尺寸的玻璃試管裏盛裝的鹽溶液，靠著調整鹽溶液的高度，他可以控制放電強度。卡文迪什把自己身體當作一台生理檢流計，從親身體驗被電擊後的感覺，來估計電流的放電強度。他又選擇出一個裝滿鹽溶液的玻璃試管為標準，然後比較標準放電與試樣放電，按照放電強度的大小來估計它們的電阻。這樣，他可以定量地描述每一種試樣。於1781年1月，他記錄在筆記裏，電流與電動勢成正比。但是，他並沒有將這些珍貴的實驗結果告訴任何科學家。一直到馬克士威於1879年替他編輯注釋為著作《卡文迪什的電學研究》（The electrical researches of the Honourable Henry Cavendish）後，才見諸世面^[4]^[5]。注意到卡文迪什使用的儀器相當原始粗陋，靠身體感覺很難做出精準的測量，萊頓瓶並不是穩定電流源。所以，學術界認為這耽擱了近百年的實驗結果並不足以證實歐姆定律。
從1825年到1826年之間，歐姆做了很多關於電阻的實驗。於1827年，他將得到的結果一同發表在著作《直流電路的數學研究》（The galvanic Circuit investigated mathematically）裏^[6]。他從傅立葉對於熱傳導的研究得到了相當多的靈感，借用了很多傅立葉的點子來論述自己的結果。
歐姆是一位優秀的實驗者，很會設計與製造實驗設備，又具有精湛的數學修養與嚴謹的敬業態度。剛開始，他使用伏打電堆為電源，用安裝於扭秤（torsion balance）的磁針來測量電流的磁場力。載流導線的電流所產生的磁場與電流成正比，只要測量在載流導線附近的磁針所感受到的磁場力，就可以知道電流。他將電流通過不同長度的檢驗電線；由於長度不同，電阻也不同。歐姆仔細分析實驗結果，得到經驗方程式^[7] ^[8]

$\Delta I=m \ln\left(1+\frac{x}{a}\right)$ ；

其中， $\Delta I$ 是檢驗電線造成的電流差值， $m$ 是相依於實驗參數的係數， $x$ 是檢驗電線的長度， $a$ 是與固定長度的載流導線有關的常數。

歐姆的實驗設備。由於溫差，熱電偶會產生電動勢，促成電流流動於電阻電路。這電流又會產生磁場，使得固定於扭秤的磁針偏轉。從讀取磁針偏轉的角度，就可以知道電流。

歐姆很快地就覺得這方程式不太對勁。大約三年前，湯瑪斯·澤貝克（Thomas Seebeck）發明使用熱電偶為電源。這種電源比伏打電源穩定。採納《物理與化學年鑑》的總編輯約翰·波根多夫（Johann poggendorff）的建議，歐姆改用熱電偶為電源^[9]^[10]，將實驗重做一遍，得到經驗方程式

$X= \frac{a}{b + x},$ ；

其中， $X$ 是扭秤讀值， $a$ 是相依於電動勢的常數， $b$ 是相依於內部電阻的常數， $x$ 是檢驗電線的長度。
仔細詮釋這些變量，將 $X$ 、 $a$ 、 $b$ 、 $x$ 分別詮釋為電流 $I$ 、電壓 $V$ 、內部電阻 $r$ 、檢驗電阻 $R_x$ ，那麼，假定總電阻 $R$ 為 $r + R_x$ 則經驗方程式變為歐姆定律的現代方程式版本：

$I= \frac{V}{R},$ 。

歐姆定律可能是早期電學史最重要的定量理論。但是，當歐姆最初發表他的結果時，很多學術界同仁都激烈地批評反對他的理論。德國教育部長指責：「鼓吹這種異端邪說的教授不配教導科學^[11]。」物理教授格奧爾格·魄爾（Georg Pohl）這樣批評歐姆的著作：「以崇高眼光仰看這世界的人士，必須遠離這本無可救藥、妄生穿鑿的謬書，其唯一目的乃是徹底詆毀大自然的尊嚴^[7]。」。那時候，德國正盛行的黑格爾哲學認為，因為大自然井井有序，而且只要經過合理推論就可獲得科學真理，所以，並不需要靠做實驗來了解大自然。歐姆的實驗方法可能引起了黑格爾門徒的強烈反感。
1839年，法國物理學家，克勞德·普雷特（Claude Pouillet）確定歐姆的實驗結果。同時，歐姆成為柏林科學院的院士。在英國，查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）又重新核對了歐姆的實驗結果。1841年，歐姆被選為皇家學會的外籍會員。1852年，歐姆榮膺為慕尼黑大學的物理學系主任。
於1920年，物理學家發現，通過理想電阻器的電流會出現統計漲落，雖然當電壓和電阻為常數時，統計漲落會相依於溫度。這種漲落稱為詹森-奈奎斯特噪音（Johnson–Nyquist noise），是因為電荷的離散秉性而產生的現像。這熱效應意味著，假若取樣的時間間隔足夠短暫，電流或電壓的測值，其比例跟時間平均比例或系綜平均（ensemble average）比例相比較，會出現漲落；也就是說，每一個電阻 $R$ 的取樣值，跟 $R$ 的時間平均或系綜平均相比較，會出現漲落。對於普通電阻物質案例，經過平均程序後，歐姆定律仍舊正確無誤。
歐姆對於電阻的研究在馬克士威方程組出現之前很久，那時科學家對於交流電路的頻率相依效應也不了解。但是，在適當範圍內，現代電磁理論與現代電路理論並沒有發現任何與歐姆定律相悖之處。

[编辑] 水力學類比

歐姆定率可以用水力學類比（hydraulic analogy）來描述。測量單位為帕斯卡的水壓，可以類比為電壓。在一根水管裏，由於任意兩點之間的水壓差會造成水流，水的流速（單位是公升每秒），可以類比為電流（單位是庫侖每秒）。「流量限制器」是安裝於水管與水管之間控制流量的閥門，可以類比為電阻器。通過流量限制器的水流流量，跟流量限制器兩端的水壓成正比，類似地，通過電阻器的電荷流量（電流），跟電阻器兩端的電壓成正比。這正是歐姆定律的論述。
流體流動網路的流量和流壓可以用水力學類比方法來計算^[12]^[13]。這方法可以應用於穩定流和暫態流（transient flow）。對於線性層流，泊肅葉定律（Poiseuille's law）描述水管的水阻，但是對於湍流，流壓-流量關係變為非線性。

[编辑] 熱力學類比

参见：熱傳導

設定導電體的電導率與兩端的電壓，歐姆定律可以預測出通過這導電體的電流密度。類似地，設定導熱體的熱導率與兩端的溫差，約瑟夫·傅立葉的熱傳導定律可以預測通過這導熱體的熱流^[14]。同樣的方程式形式可以描述這兩種現象。對於每一種案例，方程式的變量有不同的意義。具體而言，歐姆定律的方程式為

$\mathbf{J}= - \sigma \nabla V$ ，

而熱傳導定律的方程式為

$\boldsymbol{\Gamma}= - k \nabla T$ ；

其中， $\boldsymbol{\Gamma}$ 是熱通量（heat flux）， $k$ 是導熱體的熱導率， $T$ 是溫度。
思考參數為溫度、熱導率與熱通量的熱傳導問體，和參數為電壓、電導率與電流密度的電傳導問體。這兩個問題相互等價。假若能夠解析一個熱傳導問體，則也能夠解析電傳導問題；反之亦然。

[编辑] 電路分析

在電路學裏，電阻器（歐姆電阻器）是一種電路元件，其電阻與電壓、電流無關。電阻器可以按照歐姆定律阻抗電荷的通過。每一個電阻器都有其設計製成的電阻 $R$ 。更嚴格地說，電阻器是在某操作域內遵守歐姆定律的電路元件；歐姆定律和唯一電阻值足夠描述這元件在相關操作域的行為。

[编辑] 串聯電阻電路

$n$ 個電阻器串聯形成的電路。

串联电阻的总电阻等於各個电阻之和，以方程式表示，

$R_\mathrm{total} = R_1 + R_2 + \cdots + R_n$ ；

其中， $R_i$ 是第 $i$ 個電阻， $R_\mathrm{total}$ 是總電阻。
假設在電路兩端的電壓為 $V$ ，則通過的电流為 $I = {V}/{R_{total}}$ 。假設每一個電阻器都遵守歐姆定律，則這電路是電阻為 $R_\mathrm{total}$ 的歐姆電路。

[编辑] 並聯電阻電路

$n$ 個電阻器並聯形成的電路。

相互并联的电阻，其总电阻的倒数等於其每个电阻的倒数和，以方程式表示，

${1 \over R_\mathrm{total}} = {1 \over R_{1}} + {1 \over R_{2}} + \cdots + {1 \over R_{n}}$ 。

假設在電路兩端的電壓為 $V$ ，則通過的电流為 $I = {V}/{R_{total}}$ 。假設每一個電阻器都遵守歐姆定律，則這電路是電阻為 $R_\mathrm{total}$ 的歐姆電路。

[编辑] 週期性激發

電容器、電感器、傳輸線等等，都是電路的電抗元件。假設施加週期性電壓或週期性電流於含有電抗元件的電路，則電壓與電流之間的關係式變成微分方程式。因為歐姆定律的方程式只涉及實值的電阻，不涉及可能含有電容或電感的複值阻抗，所以，前面闡述的歐姆定律不能直接應用於這狀況。
最基本的週期性激發，像正弦激發或餘弦激發，都可以用指數函數來表達：

$\sin{\omega t} =\frac{1}{2j} (e^{j\omega t} - e^{ - j\omega t})$ 、

$\cos{\omega t} =\frac{1}{2} (e^{j\omega t} + e^{ - j\omega t})$ ；

其中， $j$ 是虛數單位， $\omega$ 是實值角頻率， $t$ 是時間。
假設週期性激發為單頻率正弦激發，其角頻率為 $\omega$ 。電阻為 $R$ 的電阻器，其阻抗 ${Z}$ 為

${Z} =R$ 。

電感為 $L$ 的電感器，其阻抗為

${Z} = j\omega L$ 。

電容為 $C$ 的電容器，其阻抗為

${Z} =1/ j\omega C$ 。

電壓 ${V}$ 與電流 ${I}$ 的關係式為

${V} = {I} {Z}$ 。

注意到將阻抗 ${Z}$ 替代電阻 $R$ ，就可以得到這歐姆定律方程式的推廣。只有 ${Z}$ 的實值部分會造成熱能的耗散。
對於這系統，電流和電壓的複值波形式分別為

${I} ={I}_0 e^{j\omega t}$ 、

${V} ={V}_0 e^{j\omega t}$ 。

電流和電壓的實值部分 $real({I})$ 、 $real({V})$ 分別描述這電路的真實正弦電流和正弦電壓。由於 ${I}_0$ 、 ${V}_0$ 都是不同的複值純量，電流和電壓的相位可能會不一樣。
週期性激發可以傅立葉分解為不同角頻率的正弦函數激發。對於每一個角頻率的正弦函數激發，可以使用上述方法來計算響應。然後，將所有響應總和起來，就可以得到解答。

[编辑] 線性近似

電流對電壓線圖。理想電阻器和PN接面二極體的V-I線分別以紅色和黑色顯示。

歐姆定律是電路分析（circuit analysis）使用的幾個基本方程式之一。它可以應用於金屬導電體或特別為這行為所製備的電阻器。在電機工程學裏，這些東西無所不在。遵守歐姆定律的物質或元件稱為「歐姆物質」或「歐姆元件」。理論上，不論施加的電壓或電流、不論是直流或交流、不論是正極或負極，它們的電阻都不變^[15] 。
但是，有些電路元件不遵守歐姆定律，它們的電壓與電流之間的關係（V-I線）乃非線性關係。PN接面二極體是一個顯明範例。如右圖所示，隨著二極體兩端電壓的遞增，電流並沒有線性遞增。給定外電壓，可以用V-I線來估計電流，而不能用歐姆定律來計算電流，因為電阻會因為電壓的不同而改變。另外，只有當外電壓為正值時，電流才會顯著地遞增；當施加的電壓為負值時，電流等於零。對於這類元件，V-I線的斜率 $\mathfrak{r}$ ，稱為「小信號電阻」（small-signal resistance）、「增量電阻」（incremental resistance）或「動態電阻」（dynamic resistance），定義為

$\mathfrak{r}\ \stackrel{def}{=}\ \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}I}$ ，

單位也是歐姆，是很重要的電阻量，適用於計算非歐姆元件的電性^[16]。

[编辑] 溫度效應

詹姆斯·馬克士威詮釋歐姆定律為，處於某狀態的導電體，其電動勢與產生的電流成正比。因此，電動勢與電流的比例，即電阻，不會隨著電流而改變。在這裡，電動勢就是導電體兩端的電壓。參考這句引述的上下文，修飾語「處於某狀態」，詮釋為處於常溫狀態，這是因為物質的電阻率通常相依於溫度。根據焦耳定律，導電體的焦耳加熱（Joule heating）與電流有關，當傳導電流於導電體時，導電體的溫度會改變。電阻對於溫度的相依性，使得在典型實驗裏，電阻相依於電流，從而很不容易直接核對這形式的歐姆定律。於1876年，馬克士威與同事，共同設計出幾種測試歐姆定律的實驗方法，能夠特別凸顯出導電體對於加熱效應的響應^[17]。

[编辑] 其它版本的歐姆定律

在電機工程學和電子工程學裏，歐姆定律妙用無窮，因為它能夠在巨觀層次表達電壓與電流之間的關係，即電路元件兩端的電壓與通過的電流之間的關係。在物理學裏，對於物質的微觀層次電性質研究，會使用到的歐姆定律，以向量方程式表達為

$\mathbf{E} = \rho \mathbf{J}$ 、

$\mathbf{J} = \sigma \mathbf{E}$ 。

處於均勻外電場的均勻截面導電體（例如，電線）。

在導體內任意兩點g、h，定義電壓為將單位電荷從點g移動到點h，電場力所需做的機械功^[18]：

$V_{gh}\stackrel{def}{=}\ \frac{\mathrm{d}w}{\mathrm{d}q}=\int_g^h {\mathbf{E} \cdot \mathrm{d}\mathbf{l}}=\rho\int_g^h {\mathbf{J} \cdot \mathrm{d}\mathbf{l}}$ ；

其中， $V_{gh}$ 是電壓， $w$ 是機械功， $q$ 是電荷量， $\mathrm{d} \mathbf{l}$ 是微小線元素。
假設，沿著積分路徑，電流密度 $\mathbf{J}=J\hat{\mathbf{l}}$ 為均勻電流密度，並且平行於微小線元素：

$\mathrm{d} \mathbf{l}=\mathrm{d} l\hat{\mathbf{l}}$ ；

其中， $\hat{\mathbf{l}}$ 是積分路徑的單位向量。
那麼，可以得到電壓：

$V_{gh}=J\rho l$ ；

其中， $l$ 是積分路徑的徑長。
假設導體具有均勻的電阻率，則通過導體的電流密度也是均勻的：

$J = I/a$ ；

其中， $a$ 是導體的截面面積。
電壓 $V_{gh}$ 簡寫為 $V$ 。電壓與電流成正比：

$V=V_{gh}= I \rho l/a$ 。

總結，電阻與電阻率的關係為

$R = \rho l/a$ 。

假設 $J>0$ ，則 $V>0$ ；將單位電荷從點g移動到點h，電場力需要作的機械功 $w>0$ 。所以，點g的電勢比點h的電勢高，從點g到點h的電勢差為 $- V$ 。從點g到點h，電壓降是 $V$ ；從點h到點g，電壓升是 $V$ 。
給予一個具有完美晶格的晶體，移動於這晶體的電子，其運動等價於移動於自由空間的具有有效質量（effective mass）的電子的運動。所以，假設熱運動足夠微小，週期性結構沒有偏差，則這晶體的電阻等於零。但是，真實晶體並不完美，時常會出現晶體缺陷（crystallographic defect），有些晶格點的原子可能不存在，可能會被雜質侵佔。這樣，晶格的週期性會被擾動，因而電子會發生散射。另外，假設溫度大於絕對溫度，則處於晶格點的原子會發生熱震動，會有熱震動的粒子，即聲子，移動於晶體。溫度越高，聲子越多。聲子會與電子發生碰撞，這過程稱為晶格散射（lattice scattering）。主要由於上述兩種散射，自由電子的流動會被阻礙，晶體因此具有有限電阻^[19] 。
凝聚態物理學研究物質的性質，特別是其電子結構。在凝聚態物理學裏，歐姆定律更複雜、更廣義的方程式非常重要，屬於本構方程式（constitutive equation）與運輸係數理論（theory of transport coefficients）的範圍。

[编辑] 經典微觀表述

在德鲁德模型裏，電子（以藍色表示）不停地在固定不動的導電體離子（以紅色表示）之間移動與碰撞。假若施加電場於導電體，則電子的平均移動速度（稱為漂移速度）不等於零。電子的漂移速度方向與電場方向相反。

主条目：德鲁德模型

當施加外電場於導電體時，電流密度的響應，基本上是屬於量子力學性質。詳盡細節，請參閱經典與量子電導率（classical and quantum conductivity）。保羅·德鲁德於1900年研究出的德鲁德模型，可以用經典物理解釋歐姆定律，描述自由電子移動於金屬導電體的物理行為^[20] ^[21]。
在德鲁德模型裏，自由電子會不停地移動碰撞於固定不動、組成整個金屬導電體晶格的正價離子之間。金屬裏的每一個自由電子，感受到電場力的作用，會呈加速運動。但是每當自由電子與晶格發生碰撞，其動能會遭受損失，以熱能的形式將能量釋放給離子，所以，電子的平均移動速度是漂移速度，其漂移速度的方向與電場方向相反。
電子感受到的平均電場力 $\mathbf{F}_{ave}$ 為

$\mathbf{F}_{ave} = - e \mathbf{E}_{ave}$ ；