万物运行的奥秘—电学现象

《万物运行的奥秘》论文
电学--真的很精彩
电磁学是一门古老而崭新的学科。

古代的人们便开始研究摩擦起电等一些简单的电磁学现象。

近代随着工业革命的发展，电磁学被推到了更高的高度，自从奥斯特发现电流的磁现象与法拉第发现电磁感应现象、制造出第一台发电机以后，电的作用便越来越大。

现今，无论人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都已离不开电。

随着科学技术的发展，某些带有专门知识的研究内容逐渐独立，形成专门的学科，如电子学、电工学等。

电学又可称为电磁学，是物理学中颇具重要意义的基础学科。

一、宏观的一个常见的电学现象——开关开闭合时的电火花现象。

我们常常能看见在开关打开或闭合瞬间有电火花产生。

这到底是什么原因造成的呢？这个现象其实就是电学中电路的过渡过程的反映了。

众所周知，我们使用的是220V-50Hz的交流电，而很多的电器内部都有各
种各样的电感与电容，这样电路的过渡过程便产生了。

下面我们分析开关闭合瞬间。

我们假设电器中存在电容，因此可以将电路简化为交流电、电阻R、电容C 的串联。

现设交流电压源u s(t)=√2Usin(ωt+φu)，则可由基尔霍夫电压定律（KVL）列出电路的微分方程：
RC du C
dt
+u C=u s(t)=√2Usin(ωt+φu)（1）
u C(t)的全解等于特解u Cp(t)和通解u Ch(t)之和，即
u C(t)=u Cp(t)+ u Ch(t)；
由于在开关闭合前电容两端的电压为零，我们运用向量计算方法、换路定理、解常微分的方法，得（1）的解为
u Cp(t)=√2U
zωC sin(ωt+φu−φ−90o)，u Ch(t)=−√2U
zωC
sin (φu−φ−90o)e−t RC,
其中z=√R2+(1
ωC )2，φ=arctan (−1
ωCR
)。

电路中的电流：
i (t )=C du C dt =C du Cp +du Ch
dt =√2U z sin (ωt +φu −φ)+√2U zωCR sin (φu −φ−90o )e −t
RC （2） 由（2）我们可以看出，在某些情况下，过渡电流的最大值将大大超过稳态电流的幅值√2U z 。

当1ωCR ≫1 时，φ≈−90o ，若设接通角φu =90o ，则在换路后的瞬间电流暂态分量 i Ch (0+)会远远大于稳定分量i Cp (t )，这便会形成较大的冲击电流而产生电火花。

而对于开关打开的瞬间，我们假设电路中存在电感，可以将电路简化为交流电源、电阻、电感的串联。

当开关打开瞬间，电流迅速变成零，由于电感的特性是阻止电流的变化，因此当电流变化迅速时，电感便产生了较大的冲击电压而产生电火花。

上述两种情况是很多工程上必须考虑到的问题，否则便会存在很大的安全隐患。

工程上常常制造某些特殊的开关来解决这个问题。

二、从宏观到微观
在微观的世界里，物理学正在被人们执着的研究着。

人们对微观粒子的研究，从而制造出了属于这个年代特有的产品。

如今，计算机的革新换代非常迅速，从电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机到现在的大规模集成电路计算机、超大规模集成电路计算机，这无不显示这我们的技术正在突飞猛进。

随着我们对微观世界的不断研究，集成电路的集成度变得越来越大。

集成电路就是做在晶片上的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。

而超大规模集成电路是指集成度（每块芯片所包含的元器件数）大于10的集成电路。

集成电路一般是在一块厚0.2～0.5mm 、面积约为0.5mm 的P 型硅片上通过平面工艺制作成的。

这种硅片（称为集成电路的基片）上可以做出包含为十个（或更多）二极管、电阻、电容和连接导线的电路。

先介绍下PN 结。

晶体管里的主要元素是用半导体硅或锗。

通过在本征半导体中掺入三价元素或五价元素来形成P 型半导体或N 型半导体。

在N 型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺，掺入三价元素，使之形成P 型区，则在P 区和N 区之间的交界面处由于P 区空穴(多子)向N 区扩散，留下不能移动的负离子；N 区电子(多子)向P 区扩散，留下不能移动的正离子；正负离子形成空间电荷层将形成一个很薄的空间电荷层，称为PN 结。

晶体管的核心部分就是PN 结了。

图1 PN结图2 三极管
很多电子元件就是由一个或多个PN结组合而成。

比如，二极管由一个PN 结组成，而三极管（晶体管）则由两个PN结组合而成（如图二）。

而三极管就是放大电路的最基本的元素了。

集成电路的思想就是将PN结、晶体管的尺寸尽可能减小，以在更小的体积上集成更多的元件。

如今的纳米技术对集成电路可是帮了大忙，通过纳米技术，将尺寸缩小到了纳米级。

因此，如今市场上的各种芯片的体积都是很小的，但其各种性能却是不断提高。

但是，在将集成的尺寸不断缩小的过程中，新的问题便出来了。

我们现在的纳米技术已经比较成熟了，可以将单元尺寸控制在几个纳米，甚至小于一个纳米，即做小在技术上已经克服了，但是新的问题又出现了，那就是粒子（电子）隧道效应的影响。

那何谓隧道效应呢？当势垒高度和宽度一定时，即使在粒子的总能
量低于势垒（E<E po）的情况下，粒子也能透过势垒而到达势垒外面的区域，
这种现象便是隧道效应，也称势垒穿透。

这即当单元的尺寸很小时，电子会由于隧道效应透过绝缘层，而使本不应该连通的线路发生连通，使集成电路无法正常工作。

这便是“物理极限”。

物理极限告诉我们，要像发展计算机仅仅通过缩小单元的尺寸，而仍然是通过电流来传输信号是行不通的了，必须寻找新的出路，于是，光子计算机的名词也就出现了。

但根据现在的发展趋势，通过电子自旋而产生的计算机可能更容易产生并推广。

电子自旋是由两位荷兰青年学生乌伦贝克和古兹密特在1925年提出的。

在磁体内，电子会被极化，更倾向于朝向特定的向上或向下方向旋转，。

这正可以对应于计算机的0和1，便可以通过这种自旋方式来存储数据。

通过研究电子自旋，能从一个电子中获得更多信息，因此其比目前的通过电流的流动来记录数据所需的空间更小。

除了数据存储密度更高，电子自旋材料还有更多好处。

因为电流通过会产生热量，需要消耗能源来降温，因此传统的电路板耗能很大。

在选择集成电路的密集程度和防止过热之间，芯片制造商常常陷入两难。

而使电子反旋所需的能量很小，即电子旋转材料耗能更少，几乎不产生任何热量，这意味着它们能在更小的电池里运转。

如果用某种塑料来制造，将更加轻便灵活。

物理学对人类的发展有着极其重要的作用，经常一个在当时看来并不起眼的现象发现，却会对未来科技的发展产生重要的影响。

物理需要我们有细心观察各种现象的能力，需要我们有创新的能力，在孜孜追求中攀登物理学的高峰。