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电流

Part of note taken on ZJU Physics Ⅱ (H), 2021 Fall & Winter

Chap27:电流

电流密度电子漂移模型

\[ \begin{gathered} I=\frac{\mathrm dq}{\mathrm dt}=\frac{n(\Delta S\cdot v\mathrm dt)e}{\mathrm dt}=ne(\Delta S)v\\ j=\frac{I}{\Delta S}=nev\\ \end{gathered} \]

考虑电子运动方向,则 \(\vec{j}=-ne\vec{v}\)

欧姆定律微分形式

欧姆定律 (Ohm's Law) 微分形式:\(j=\sigma E\)

\[ \begin{aligned} j\mathrm d S=\mathrm dI&=-\frac{\mathrm d U}{\mathrm dR}\\ &=-\frac{\mathrm dU}{\rho\frac{\mathrm d l}{\mathrm d S}}\\ &=(-\frac{\mathrm dU}{\mathrm dl})\cdot\frac{1}{\rho}\cdot\mathrm dS\\ &=\frac{E}{\rho}\mathrm dS \end{aligned} \]

那么就有

\[ j = \frac{E}{\rho}=\sigma E \quad (\sigma=\frac{1}{\rho}) \]

焦耳定律微分形式

焦耳定律 (Joule's Law) 微分形式:\(w=\sigma^2E\)

\[ \begin{aligned} Q&=I^2R\Delta t\\ \mathrm{d}Q&=(j\mathrm{d}S)^2(\rho\frac{\mathrm{d}l}{\mathrm{d}S})\mathrm{d}t\\ &=j^2\rho(\mathrm{d}S\mathrm{d}l)\mathrm{d}t\\ &=(\sigma^2 E^2)\frac{1}{\sigma}\mathrm{d}V\mathrm{d}t\\ &=\sigma E^2\mathrm{d}V\mathrm{d}t \end{aligned} \]

那么就有

\[ w = \frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}V\mathrm{d}t}=\sigma E^2 \]

金属的 Drude 模型

先算速度 \(v_i=v_{0i}+at=v_{0i}+\frac{eE}{m}t_i\),而

\[ \begin{aligned} j&=ne\bar v=\sum_{i=1}^nev_i=\sum_{i=1}^nv_{0i}+\sum_{i=1}^n\frac{e^2E}{m}t_i\\ &=\sum_{i=1}^n\frac{e^2E}{m}t_i\text{ (初始速度任意)} \end{aligned} \]

根据平均时间 \(\displaystyle \tau = \frac{\sum_{i=1}^nt_i}{n}\),有

\[ j = \frac{ne^2\tau}{m}E=\sigma E\Rightarrow \sigma=\frac{ne^2\tau}{m} \]

根据麦克斯韦速度分布律

\[ \tau = \frac{\lambda}{\bar v}=\lambda\sqrt{\frac{\pi m}{8kT}}\propto\frac{1}{\sqrt T} \]

所以有 \(\sigma\propto\frac{1}{\sqrt T}\Rightarrow\rho\propto\sqrt T\)。该模型与实际符合得不是很好。

Chap28:电路

RC 电路(充电)

\(\epsilon\) 充电。

\[ \begin{aligned}\mathrm{d} \epsilon-iR-\frac{q}{C}&=0\\ R\mathrm{d}q&=\left(\epsilon-\frac{q}{C}\right)\mathrm{d}t\\ \frac{\mathrm{d}q}{C\epsilon-q}&=\frac{\mathrm dt}{CR}\\ \ln|C\epsilon-q|&=-\frac{t}{CR}+C\\ C\epsilon-q&=Ae^{-\frac{t}{CR}}\\ \text{当 }t=0&,q=0\Rightarrow A=C\epsilon\\ q&=C\epsilon(1-e^{-\frac{t}{CR}})\\ \text{令 }\tau=RC\text{,则 }q(t)&=C\epsilon(1-e^{-\frac{t}{\tau}})\\ i(t)&=\frac{\epsilon}{R}e^{-\frac{t}{\tau}}\\ \Delta V_C(t)&=\frac{q(t)}{C}=\epsilon(1-e^{-\frac{t}{\tau}})\ \end{aligned} \]

RC 电路(放电)

\[ \begin{aligned} \frac{q}{C}&=R\frac{\mathrm dq}{\mathrm dt}\\ \ln q&=\frac{t}{\tau}+C\\ q&=Ae^{\frac{t}{\tau}}\\ \text{当 }t=0&,q=C\epsilon\Rightarrow A=C\epsilon\\ q(t)&=C\epsilon e^{\frac{t}{\tau}}\\ i(t)&=\frac{\epsilon}{R}e^{-\frac{t}{\tau}}\\ \Delta V_C(t)&=\frac{q(t)}{C}=\epsilon(1-e^{-\frac{t}{\tau}})\ \end{aligned} \]

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