1、能源元件之特性分析實(shí)驗(yàn)?zāi)茉丛匦苑治鰧?shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱課程教學(xué)大綱第一單元第一單元 : 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 第二第二 單元單元 : 超導(dǎo)體之超導(dǎo)溫度超導(dǎo)體之超導(dǎo)溫度第三單元第三單元 : 電能迴路設(shè)計(jì)電能迴路設(shè)計(jì)第四單元第四單元 : 鋰電池分析鋰電池分析-充放電與循環(huán)伏安充放電與循環(huán)伏安一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、原理機(jī)制三、實(shí)驗(yàn)步驟(流程圖)四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 五、結(jié)果與討論六、多媒體示範(fàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綱要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綱要第一單元第一單元 : 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池一一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)?zāi)康模豪肞N JUCTION照光後，測(cè)量其I-V的變化，畫出I-V曲線圖，證明太陽(yáng)能電池照光後其電流、電壓確實(shí)產(chǎn)生變化，達(dá)到

2、發(fā)電的效果。 二二. .實(shí)驗(yàn)原理與機(jī)制：實(shí)驗(yàn)原理與機(jī)制：在電子電路中使用的二極體(diode)種類很多，我們主要先介紹pn 接面二極體的原理、特性，以及他的基本應(yīng)用，在最後再介紹一些特殊二極體和他們?nèi)绾螒?yīng)用在太陽(yáng)能電池上。pn 接面可以簡(jiǎn)單的想成一p 型半導(dǎo)體和一n 型半導(dǎo)體接在 一起所形成，在兩端再各以一金屬電極(稱為歐姆接點(diǎn))連結(jié)外界電路，如圖1。形成的方法有很多，例如可以在一p 型半導(dǎo)體基板上一磊晶方式成長(zhǎng)一n 型半導(dǎo)體，或在一p型半導(dǎo)體基板上先置一n 型的雜質(zhì)源，然後加熱，n 型雜質(zhì)即擴(kuò)散入基板表面，形成pn 接面。 Example#1:pn 接面在形成時(shí)，空間中的載體分布先天上就已經(jīng)

3、不均勻，在p 型半導(dǎo)體中的電洞會(huì)向n 型半導(dǎo)體中擴(kuò)散，在n 型半導(dǎo)體中的電子會(huì)向p 型半導(dǎo)體中擴(kuò)散 pn 接面在形成時(shí)，空間中的載體分布先天上就已經(jīng)不均勻，在p 型半導(dǎo)體中的電洞會(huì)向n 型半導(dǎo)體中擴(kuò)散，在n 型半導(dǎo)體中的電子會(huì)向p 型半導(dǎo)體中擴(kuò)散 由於帶電載體的移動(dòng)，原本每個(gè)位置都保持電中性的特性便被破壞，n 型半導(dǎo)體中會(huì)帶正電，p 型半導(dǎo)體中會(huì)帶負(fù)電。電洞進(jìn)入n 型區(qū)，或電子進(jìn)入p 型區(qū)都會(huì)產(chǎn)生復(fù)合，電子電洞同時(shí)消失，半導(dǎo)體中就只剩下帶電的摻雜離子，在p 型半導(dǎo)體中是帶負(fù)電的受子離子，在n 型半導(dǎo)體中是帶正電的施子離子，兩者的帶電量大小是相同的 這兩個(gè)帶電的離子區(qū)會(huì)集中在接面的兩側(cè)，如此可使

4、系統(tǒng)的電位能降到最低。這時(shí)，帶電離子在接面附近產(chǎn)生一電場(chǎng)，所導(dǎo)致的漂移電子流（電洞流），方向都和擴(kuò)散電子流（電洞流）相反 包括維持電中性的p 型區(qū)與n 型區(qū)，以及有電場(chǎng)分布的離子區(qū) 顯示出對(duì)應(yīng)各區(qū)的電子與電洞濃度分布的示意圖。在p 型中性區(qū)中電洞濃度最大，電子濃度最小；在n型中性區(qū)中電子濃度最大，電洞濃度最?。辉谥虚g的離子區(qū)，電子與電洞的濃度都較中性區(qū)之多數(shù)載體濃度為低。由於離子區(qū)缺乏可移動(dòng)的載體，一般將此區(qū)稱做空乏區(qū)空乏區(qū) 是接面附近的帶電電荷密度分布圖，這裡假設(shè)了:(1)在pn 接面附近的p 型及n 型雜質(zhì)摻雜濃度是均勻的，(2)在空乏區(qū)中的載體濃度完全忽略 是對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布圖，圖中顯示空

5、乏區(qū)電場(chǎng)的值都是負(fù)的，表示電場(chǎng)方向都是由n 型區(qū)中的施子離子指向p 型區(qū)中的受子離子，實(shí)際的電場(chǎng)分布可以利用高斯定律求出。由電場(chǎng)分布，我們可以很容易看出電位的分布形式 p 型區(qū)的電位較高，n 型區(qū)的電位較低，其間的電位差我們稱為內(nèi)建電位內(nèi)建電位(build-inpotential(build-inpotential) ) Vbi。對(duì)電洞而言，他的電位能在p 型中性區(qū)最低，故電洞大部分分布於此區(qū)，電洞要由n 型區(qū)進(jìn)入p 型中性區(qū)，必須克服一個(gè)大小為qVbi 的位能障礙(potential barrier)；同樣地，電子大多分佈在電子電位能最低的n 型中性區(qū)中，要進(jìn)入p 型區(qū)一樣要克服qVbi 的

6、位能障礙 很清楚顯示了電子與電洞分別看到不同的電位能曲線，這裡主要的原因來(lái)自他們所帶電荷符號(hào)不同。2.pn2.pn接面二極體的接面二極體的電流電流- -電壓特性電壓特性 4 4. .太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池當(dāng)光二極體面積很大時(shí)，照光後產(chǎn)生之光電流也很大，可以當(dāng)作電源使用，稱為太陽(yáng)能電池(solar cell)。太陽(yáng)能電池的發(fā)電能力和他的面積成正比，但一般利用半導(dǎo)體晶片製作的大面積元件成本過(guò)高，只有在特殊場(chǎng)合，例如在人造衛(wèi)星上，才使用得到。而日常所用的太陽(yáng)能電池，則是以玻璃做基板，先鍍上一層透明的導(dǎo)電膜（通常是氧化銦類的材料），再成長(zhǎng)非晶態(tài)的矽薄膜，並形成pn 接面，雖然非晶矽太陽(yáng)電池的發(fā)電效率與使

7、用期限較以晶體材料製作的差，但成本卻低的很多，適合一般發(fā)電使用。 ，我們比較一個(gè)電阻和一個(gè)理想二極體通過(guò)的電流I 與端電壓V 的關(guān)係，這個(gè)關(guān)係通常稱為元件的電流-電壓特性(current-voltage characteristics)。(b)顯示當(dāng)理想二極體的V 為負(fù)的時(shí)候，電流是0，基本上是不導(dǎo)通的，稱做逆向偏壓(reversed biased)；而當(dāng)V 略正時(shí)，又完全導(dǎo)通，電流很大，稱為順向偏壓(forward biased) 實(shí)際的pn 接面二極體的電流-電壓特性略有不同，圖5(a)是一個(gè)典型的例子，圖中用兩個(gè)不同的電流尺度來(lái)顯示，順向偏壓夠大時(shí)才會(huì)有顯著的電流，而逆向偏壓時(shí)有一很小的

8、逆向電流。逆向偏壓夠大時(shí)，逆向電流幾乎保持不變，稱為逆向飽和電流(reversed-biased saturation current)IS 三 實(shí)驗(yàn)步驟首先將太陽(yáng)能電池面板與DCA、DC POWER SUPPLY接好，利用太陽(yáng)能電池照光後，電壓電流會(huì)改變的特性，描繪出太陽(yáng)能電池的I-V Curve，分成無(wú)照光、燈光、紅光、藍(lán)光四種，比較其在不同條件下所測(cè)量出的I-V Curve。 四 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材DCA、DC POWER SUPPLY、太陽(yáng)能電池面板、風(fēng)扇、紅色與藍(lán)色玻璃紙 五 結(jié)果與討論P(yáng)N Junction照光後，電子電洞如何移動(dòng)以產(chǎn)生電流電壓?太陽(yáng)能電池照光前以及照光後其I-V Cu

9、rve曲線圖如何變化，以及其變化代表什麼意義？為何施加順向偏壓與逆向偏壓，其表現(xiàn)出來(lái)的I-V Curve有所不同？六、Video示範(fàn)教學(xué) 建構(gòu)中Thank you for your attention第二單元第二單元 :超導(dǎo)體之超導(dǎo)溫度超導(dǎo)體之超導(dǎo)溫度 一一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)?zāi)康模?超導(dǎo)體材料是指一種在電流通過(guò)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)體材料是指一種在電流通過(guò)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電阻的材料。既然電阻為零，傳輸?shù)碾娔芫筒粫?huì)損電阻的材料。既然電阻為零，傳輸?shù)碾娔芫筒粫?huì)損耗，因此超導(dǎo)體可以廣泛應(yīng)用在電子、能源、醫(yī)療耗，因此超導(dǎo)體可以廣泛應(yīng)用在電子、能源、醫(yī)療及交通等工業(yè)上。故本課程將針對(duì)超導(dǎo)體作簡(jiǎn)單介及交通等工業(yè)上。故

10、本課程將針對(duì)超導(dǎo)體作簡(jiǎn)單介紹，使同學(xué)們了解超導(dǎo)體的工作原理，並且透過(guò)本紹，使同學(xué)們了解超導(dǎo)體的工作原理，並且透過(guò)本實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作，使同學(xué)們對(duì)於實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作，使同學(xué)們對(duì)於YBCO超導(dǎo)體的臨界溫超導(dǎo)體的臨界溫度有更進(jìn)一步的瞭解。度有更進(jìn)一步的瞭解。 二二.實(shí)驗(yàn)原理與機(jī)制：實(shí)驗(yàn)原理與機(jī)制：2-1. 起源：起源： 一項(xiàng)科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)，往往是在充分的條件下偶然發(fā)生的。一項(xiàng)科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)，往往是在充分的條件下偶然發(fā)生的。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)或許就是個(gè)例子。我們都知道物質(zhì)有固液氣超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)或許就是個(gè)例子。我們都知道物質(zhì)有固液氣三種形態(tài)，若把常溫空氣降到很低的溫度三種形態(tài)，若把常溫空氣降到很低的溫度(約零下約零下200)，則

11、，則可以得到液體狀的空氣。在可以得到液體狀的空氣。在19世紀(jì)末大多數(shù)的氣體已經(jīng)可以世紀(jì)末大多數(shù)的氣體已經(jīng)可以被液化，只剩下氦氣仍不能被液化，氦氣還一度被稱為永被液化，只剩下氦氣仍不能被液化，氦氣還一度被稱為永久氣體。久氣體。 但是在但是在1908年，荷蘭科學(xué)家歐尼斯年，荷蘭科學(xué)家歐尼斯(Kammerlingh-Onnes)證明這是錯(cuò)誤的，他在證明這是錯(cuò)誤的，他在4.2(-269)成功地液化氦氣。成功地液化氦氣。成為歷史上第一位將氦氣液化的人。由於歐尼斯的成果使低成為歷史上第一位將氦氣液化的人。由於歐尼斯的成果使低溫研究向前跨了一大步。溫研究向前跨了一大步。 當(dāng)時(shí)對(duì)於金屬的電阻會(huì)隨著溫度降低而減

12、少已被確當(dāng)時(shí)對(duì)於金屬的電阻會(huì)隨著溫度降低而減少已被確定，然而在趨近定，然而在趨近0時(shí)電阻究竟會(huì)低到某個(gè)最低值呢？或時(shí)電阻究竟會(huì)低到某個(gè)最低值呢？或是因電子在此時(shí)停止流動(dòng)，而成為絕緣體？這是兩個(gè)完是因電子在此時(shí)停止流動(dòng)，而成為絕緣體？這是兩個(gè)完全不同的結(jié)果。全不同的結(jié)果。 歐尼斯對(duì)這方面感到興趣，而持續(xù)研究著。為了減歐尼斯對(duì)這方面感到興趣，而持續(xù)研究著。為了減少雜質(zhì)的影響，歐尼斯選用在當(dāng)時(shí)所能找到純度較高的少雜質(zhì)的影響，歐尼斯選用在當(dāng)時(shí)所能找到純度較高的金屬汞金屬汞(水銀水銀)來(lái)作實(shí)驗(yàn)。他將汞置於液態(tài)氦中量測(cè)電來(lái)作實(shí)驗(yàn)。他將汞置於液態(tài)氦中量測(cè)電阻，卻意外的發(fā)現(xiàn)電阻在阻，卻意外的發(fā)現(xiàn)電阻在4.2時(shí)

13、突然降到無(wú)法量測(cè)，這時(shí)突然降到無(wú)法量測(cè)，這是物理中從未發(fā)生過(guò)的現(xiàn)象，歐尼斯將汞稱為超導(dǎo)體是物理中從未發(fā)生過(guò)的現(xiàn)象，歐尼斯將汞稱為超導(dǎo)體(superconductor)，時(shí)間為，時(shí)間為1911年。年。 2-2. 超導(dǎo)體的特性：超導(dǎo)體的特性： 1. 零電阻零電阻 即完全沒(méi)有電阻，因此，電流不會(huì)有所損耗，而即完全沒(méi)有電阻，因此，電流不會(huì)有所損耗，而成為永久電流。一般的導(dǎo)體，電阻是因原子熱振動(dòng)或成為永久電流。一般的導(dǎo)體，電阻是因原子熱振動(dòng)或晶格缺陷等阻礙電流流動(dòng)所造成；但在超導(dǎo)狀態(tài)下，晶格缺陷等阻礙電流流動(dòng)所造成；但在超導(dǎo)狀態(tài)下，自旋相反的成對(duì)電子組成古柏偶對(duì)（自旋相反的成對(duì)電子組成古柏偶對(duì)（Coop

14、er pair），），這種成對(duì)電子在傳導(dǎo)時(shí)不受晶格中離子的妨礙，因此這種成對(duì)電子在傳導(dǎo)時(shí)不受晶格中離子的妨礙，因此形成零電阻現(xiàn)象。形成零電阻現(xiàn)象。 為什麼同樣帶負(fù)電的電子能夠不互相排斥而形成為什麼同樣帶負(fù)電的電子能夠不互相排斥而形成古柏偶對(duì)？負(fù)負(fù)不是應(yīng)該相斥嗎？為何反而會(huì)相吸？古柏偶對(duì)？負(fù)負(fù)不是應(yīng)該相斥嗎？為何反而會(huì)相吸？巴丁、古柏和薛瑞佛三人（巴丁、古柏和薛瑞佛三人（J. Bardeen, L.N. Cooper, and R.J. Schrieffer）利用量子力學(xué)對(duì)此做了計(jì)算與解）利用量子力學(xué)對(duì)此做了計(jì)算與解釋：釋： 在低溫時(shí)，古柏偶對(duì)中的兩個(gè)電子會(huì)藉由帶正電在低溫時(shí)，古柏偶對(duì)中的兩個(gè)電

15、子會(huì)藉由帶正電的原子核的協(xié)助，由相互排斥變?yōu)榉浅Ｈ醯南嗷ノ脑雍说膮f(xié)助，由相互排斥變?yōu)榉浅Ｈ醯南嗷ノ?，使得古柏偶?duì)因此存在。當(dāng)外在溫度升高、磁場(chǎng)增強(qiáng)使得古柏偶對(duì)因此存在。當(dāng)外在溫度升高、磁場(chǎng)增強(qiáng)到某臨界值時(shí)，會(huì)使古柏偶對(duì)遭到破壞，造成超導(dǎo)現(xiàn)到某臨界值時(shí)，會(huì)使古柏偶對(duì)遭到破壞，造成超導(dǎo)現(xiàn)象消失。象消失。2. 反磁效應(yīng)反磁效應(yīng) 超導(dǎo)體的內(nèi)部磁通量為零，磁力線無(wú)法進(jìn)入超導(dǎo)超導(dǎo)體的內(nèi)部磁通量為零，磁力線無(wú)法進(jìn)入超導(dǎo)體，這個(gè)性質(zhì)又稱為麥?zhǔn)磕切?yīng)（體，這個(gè)性質(zhì)又稱為麥?zhǔn)磕切?yīng)（ Meissner Effect）。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的過(guò)程是：當(dāng)超導(dǎo)體放入磁）。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的過(guò)程是：當(dāng)超導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中時(shí)，超

16、導(dǎo)體和一般導(dǎo)體一樣會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而場(chǎng)中時(shí)，超導(dǎo)體和一般導(dǎo)體一樣會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而超導(dǎo)體的電阻為零，因此只要磁場(chǎng)存在，電流就能一超導(dǎo)體的電阻為零，因此只要磁場(chǎng)存在，電流就能一直流動(dòng)，此電流即為屏蔽電流。屏蔽電流在超導(dǎo)直流動(dòng)，此電流即為屏蔽電流。屏蔽電流在超導(dǎo)體周圍產(chǎn)生與外部磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，因而阻擋外體周圍產(chǎn)生與外部磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，因而阻擋外部磁場(chǎng)進(jìn)入。磁浮現(xiàn)象即是由這個(gè)原理產(chǎn)生的，可應(yīng)部磁場(chǎng)進(jìn)入。磁浮現(xiàn)象即是由這個(gè)原理產(chǎn)生的，可應(yīng)用在磁浮火車上。用在磁浮火車上。 3. 約瑟夫穿隧效應(yīng)約瑟夫穿隧效應(yīng) (Josephson Effects) 若把兩個(gè)超導(dǎo)體中間夾一薄層的絕緣體，則絕若把兩個(gè)

17、超導(dǎo)體中間夾一薄層的絕緣體，則絕緣層也會(huì)出現(xiàn)一微弱的超導(dǎo)電流，而能通電。而在緣層也會(huì)出現(xiàn)一微弱的超導(dǎo)電流，而能通電。而在兩超導(dǎo)體上施加某一定的電壓時(shí)，則能得到一甚強(qiáng)兩超導(dǎo)體上施加某一定的電壓時(shí)，則能得到一甚強(qiáng)之共振電流。這就是約瑟夫效應(yīng)，這是由兩分開的之共振電流。這就是約瑟夫效應(yīng)，這是由兩分開的超導(dǎo)體中的超導(dǎo)電子相互合作產(chǎn)生的。這一個(gè)現(xiàn)象超導(dǎo)體中的超導(dǎo)電子相互合作產(chǎn)生的。這一個(gè)現(xiàn)象對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，所以可以利用它來(lái)偵測(cè)磁場(chǎng)的變對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，所以可以利用它來(lái)偵測(cè)磁場(chǎng)的變化。化。 2-3. 高溫超導(dǎo)體材料：高溫超導(dǎo)體材料： 1986年發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體，不同於以往的金屬或年發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體，不同於以

18、往的金屬或合金，它實(shí)際上是一種陶瓷。我們對(duì)陶瓷的印象不外合金，它實(shí)際上是一種陶瓷。我們對(duì)陶瓷的印象不外乎是硬、脆、不導(dǎo)電，但在適當(dāng)溫度下這些陶瓷卻能乎是硬、脆、不導(dǎo)電，但在適當(dāng)溫度下這些陶瓷卻能轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，實(shí)在是令人驚訝。這類超導(dǎo)陶瓷的結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，實(shí)在是令人驚訝。這類超導(dǎo)陶瓷的結(jié)構(gòu)均非常複雜，且超導(dǎo)性能也深受這些結(jié)構(gòu)的影響。構(gòu)均非常複雜，且超導(dǎo)性能也深受這些結(jié)構(gòu)的影響。 超導(dǎo)電流在某一方向能夠流通，在另一個(gè)方向卻超導(dǎo)電流在某一方向能夠流通，在另一個(gè)方向卻很難流通，這和其晶體結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)係。而科學(xué)家很難流通，這和其晶體結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)係。而科學(xué)家將這些超導(dǎo)陶瓷分為第一代和第二代。第一代超導(dǎo)

19、陶將這些超導(dǎo)陶瓷分為第一代和第二代。第一代超導(dǎo)陶瓷典型代表為鑭鋇銅氧超導(dǎo)體瓷典型代表為鑭鋇銅氧超導(dǎo)體(LaBaCuO)，它是由，它是由IBM公司的研究員貝茲和幕勒發(fā)現(xiàn)的，也開啟此一鋇公司的研究員貝茲和幕勒發(fā)現(xiàn)的，也開啟此一鋇銅氧化合物超導(dǎo)體的時(shí)代。第一代超導(dǎo)的臨界溫度約銅氧化合物超導(dǎo)體的時(shí)代。第一代超導(dǎo)的臨界溫度約在在30K50K左右，超導(dǎo)電流在圖中左右，超導(dǎo)電流在圖中粉紅色平面粉紅色平面流動(dòng)。流動(dòng)。 第一代超導(dǎo)的臨界溫度約在第一代超導(dǎo)的臨界溫度約在30K50K左右，超導(dǎo)電流左右，超導(dǎo)電流在圖中在圖中粉紅色平面粉紅色平面流動(dòng)。流動(dòng)。（位於八面體體心位置）（位於八面體體心位置） 第二代超導(dǎo)陶瓷中

20、最著名的莫過(guò)於釔鋇銅氧第二代超導(dǎo)陶瓷中最著名的莫過(guò)於釔鋇銅氧(簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱稱YBCO)超導(dǎo)體，它也是由吳茂昆博士發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)體，它也是由吳茂昆博士發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)臨界溫度超過(guò)液態(tài)氮的沸點(diǎn)臨界溫度超過(guò)液態(tài)氮的沸點(diǎn)77K的超導(dǎo)體。的超導(dǎo)體。 它的結(jié)構(gòu)如下圖，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)即是一個(gè)銅及五個(gè)它的結(jié)構(gòu)如下圖，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)即是一個(gè)銅及五個(gè)氧所構(gòu)成的金字塔構(gòu)造排成層狀，層中有鋇，層間夾氧所構(gòu)成的金字塔構(gòu)造排成層狀，層中有鋇，層間夾釔。其中銅離子扮演的角色極為重要，若將銅原子換釔。其中銅離子扮演的角色極為重要，若將銅原子換掉則臨界溫度大幅下降。而圖中綠色的銅氧平面，在掉則臨界溫度大幅下降。而圖中綠色的銅氧平面，在超導(dǎo)機(jī)制

21、似乎有很重要的作用，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)此平面上超導(dǎo)機(jī)制似乎有很重要的作用，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)此平面上的氧容易脫落，而氧的脫落比例越低臨界溫度越高。的氧容易脫落，而氧的脫落比例越低臨界溫度越高。超導(dǎo)電流則沿此平面流動(dòng)，或沿底部的銅氧黃色平面超導(dǎo)電流則沿此平面流動(dòng)，或沿底部的銅氧黃色平面流動(dòng)。流動(dòng)。三三.實(shí)驗(yàn)流程圖：實(shí)驗(yàn)流程圖：1. 電源線接到電源供應(yīng)器。電源線接到電源供應(yīng)器。2. 接上伏特計(jì)。接上伏特計(jì)。3. 熱電偶接到伏特計(jì)上並校正。熱電偶接到伏特計(jì)上並校正。4. 小心地將超導(dǎo)體浸入液態(tài)氮裡。小心地將超導(dǎo)體浸入液態(tài)氮裡。5. 當(dāng)停止沸騰，仔細(xì)地將電流直條至當(dāng)停止沸騰，仔細(xì)地將電流直條至0.5安培。安培。6.

22、記錄下溫度以及記錄下溫度以及V1、V2的電壓差。的電壓差。7. 讓液態(tài)氮緩慢地蒸發(fā)而使超導(dǎo)體逐漸暖化。讓液態(tài)氮緩慢地蒸發(fā)而使超導(dǎo)體逐漸暖化。8. 當(dāng)超導(dǎo)體暖化時(shí)，記錄下電壓和溫度的差值，當(dāng)超導(dǎo)體暖化時(shí)，記錄下電壓和溫度的差值， 電源供應(yīng)器關(guān)掉，記錄下熱電差值電源供應(yīng)器關(guān)掉，記錄下熱電差值9. 銅金屬與矽晶片以同樣方式來(lái)量測(cè)並作圖。銅金屬與矽晶片以同樣方式來(lái)量測(cè)並作圖。 1. YBCO超導(dǎo)體熱電偶超導(dǎo)體熱電偶 2. 伏特計(jì)、伏特計(jì)、 3. 安培計(jì)安培計(jì) 4. 直流電源供應(yīng)器直流電源供應(yīng)器 (DC POWER SUPPLY) 5. 液態(tài)氮。液態(tài)氮。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 五五. 結(jié)果

23、與討論結(jié)果與討論:1. 為何會(huì)有超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生？為何會(huì)有超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生？2. YBa2Cu3O7的臨界溫度是多少？的臨界溫度是多少？3. 列舉超導(dǎo)體的應(yīng)用範(fàn)圍（每種特性至少一種）？列舉超導(dǎo)體的應(yīng)用範(fàn)圍（每種特性至少一種）？ 六、Video示範(fàn)教學(xué)建構(gòu)中建構(gòu)中Thank you for your attention第三單元第三單元 : : 電能迴路設(shè)計(jì)電能迴路設(shè)計(jì)一一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)?zāi)康模罕緦?shí)驗(yàn)?zāi)康脑陟队H自動(dòng)手體驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的過(guò)程，並透過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察與記錄，了解電子電路的基本行為，以便未來(lái)投身在電子產(chǎn)業(yè)中能夠熟練運(yùn)用這些基本定律。 二二. .實(shí)驗(yàn)原理與機(jī)制：實(shí)驗(yàn)原理與機(jī)制：基本定義基本定義: 包括一些

24、基本名詞，如電位、電流、電阻、電功率、電容、電感以及一些電的量測(cè)單位。 RLC簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 克希荷夫定律克希荷夫定律的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn): 利用克希荷夫定律(Kirchhoffs laws)，可以簡(jiǎn)化複雜的電路求解工作，而這定律是由物理學(xué)家勃特克希荷夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824 1887)所推導(dǎo)及發(fā)表的。他的定律建立了近代網(wǎng)路分析(network analysis)的基礎(chǔ)，同時(shí)，不論電路中含有多少個(gè)電壓源，都能適用。(1)克希荷夫電壓定律克希荷夫電壓定律(KVL) 在電路的任意封閉迴路(Loop)中，電壓升的總和等於電壓降的總和，亦即電壓的代數(shù)總和為零。 V=0(2)克希荷

25、夫電流定律克希荷夫電流定律(KCL) 在網(wǎng)路中流入任一節(jié)點(diǎn)的電流等於流出該節(jié)點(diǎn)的電流，亦即任意節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)總和為零。 I=0基本電路基本電路 歐姆定律：科學(xué)家歐姆(Georg Simon Ohm,1787-1854)發(fā)現(xiàn)，金屬線導(dǎo)電時(shí)，兩端的電壓(V)與通過(guò)的電流(I)成正比，此電壓與電流的比值即為金屬線的電阻。 (1)一般金屬導(dǎo)體，在定溫下，電壓與電流關(guān)係為一通過(guò)原點(diǎn)的直線，即電阻維持一定，遵守歐姆定律，如下圖所示。 (2)有些物體如電子零件中的半導(dǎo)體，其電阻值會(huì)隨所加電壓的大小而有明顯變化，其電壓與電流關(guān)係不成正比，關(guān)係圖為一曲線，不符合歐姆定律，如下圖所示。依穩(wěn)定電流而言，電路中電流的

26、大小與加於該電路之電動(dòng)勢(shì)成正比，而與該電路的總電阻成反比。 即 I = V / R V：電壓降或端電壓，單位為伏特R：被量測(cè)部份的電阻，單位為歐姆 由歐姆定律可界定歐姆之定義如下： 一伏特電壓產(chǎn)生一安培電流的電阻 為一歐姆。 RC電路電路 RC電路0CqiRCqdtdqRV=0 (由克希荷夫定律)RCtCqexp1VctVct充電迴路放電迴路RCtCqexp1RCtCqVcexp1 可以知道電容兩端的電壓，與電容充放電時(shí)間有關(guān)係 RC的單位為時(shí)間，RC值為電容時(shí)間常數(shù)（）， 當(dāng)t = RC時(shí)，充電過(guò)程，Vc=(1-exp(-1) 0.63； 放電過(guò)程，Vc=(exp(-1) 0.37， 於 是

27、我 們 可 以 利用電容 充 放 電 電 壓 與 時(shí) 間 作 圖 ， 即可求出電容的大小。 RL電路電路 0dtdiLiRiRdtdiLV=0 (由克希荷夫定律)LRtRiexp1 RL電路VLt充電迴路ILt放電迴路 IL= I0(1 - exp(-t/)其中，=L/R，稱為RL電路的時(shí)間常數(shù)，當(dāng) t=時(shí)，IL= 0.63I0。LRtRiexp1LC電路電路 022xmkdtxd0CqdtdiL022CqdtqdL2w0122qLCdtqdLCwf1212對(duì)照簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)V=0 (由克希荷夫定律) 022kxdtxdmIt補(bǔ)充教材補(bǔ)充教材交流電路電源與通過(guò)電阻無(wú)相位差交流電路電源V與電

28、感或電容皆有相位差產(chǎn)生，由於其相位不同步而產(chǎn)生干涉，造成迴路電流下降，此原因是來(lái)自於電容、電感，可將其簡(jiǎn)稱為容抗、感抗。交流電路雖有感抗、容抗、電阻等等存在，其牽扯到波型、相位，不易計(jì)算V與I之關(guān)係。但是有一簡(jiǎn)易的方法，即把感抗XL、容抗XC、電阻R計(jì)算得到總阻抗Z，而V=IZ，即可簡(jiǎn)單計(jì)算出V與I之關(guān)係。而容抗與感抗一個(gè)是因?yàn)橄辔怀?，一個(gè)因?yàn)橄辔宦溽?，故可知若兩者相位超前與落後之程度相同，即可耦合掉其感抗、容抗，一般省電器即利用此原理，利用可變電容耦合掉線路之感抗。感抗XL=L容抗XC=1/CRXLXCZ電組值的標(biāo)示方式可分為下列兩類：直接標(biāo)示：像一些體積較大的電阻器，其電阻值、誤差、瓦特

29、數(shù)大多標(biāo)示在其上面。但是有些符號(hào)必須先記下來(lái)。符號(hào)意義說(shuō)明M106MegaK103Kilom10-3milli10-6micron10-9nanop10-12pico色碼表示：一般而言，當(dāng)我們拿到一個(gè)電阻時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)上面會(huì)有三圈或四圈色碼，如圖表所示。 (I)(II)在電阻上的環(huán)狀彩色條紋共有四環(huán)，其中第一、二、三環(huán)分別表示第一位數(shù)、第二位數(shù)與乘數(shù)，並以顏色代表不同的數(shù)字與乘數(shù)（下頁(yè)圖表），而第四環(huán)表示此電阻的誤差值。電阻的大小計(jì)算如下：R（第一位數(shù)10第二位數(shù)）乘數(shù) 誤差%色環(huán)第一環(huán)第二環(huán)第三環(huán)第四環(huán)含義第一位數(shù) 第二位數(shù) 乘數(shù) 誤差黑黑 0 0 1（100） 棕棕 1 1 10（101） 1

30、%紅紅 2 2 100（102） 2%橙橙 3 3 1000（103） 黃黃 4 4 10000（104） 綠綠 5 5 100000（105） 0.05%藍(lán)藍(lán) 6 6 1000000（106） 0.25%紫紫 7 7 10000000（107） 0.10%灰灰 8 8 100000000（108） 0.05%白白 9 9 1000000000（109） 金金0.1（10-1） 5%銀銀0.01（10-2） 10%無(wú)無(wú) 20%三三. .實(shí)驗(yàn)流程圖：實(shí)驗(yàn)流程圖：1.分發(fā)麵包板及電子材料。2.自己動(dòng)手組裝麵包板。3.組裝迴路 圖12、圖13或單一圖144.在不同的迴路中(RC、RLC、RL)，固定直流電源供應(yīng)器電壓，量測(cè)電流及電壓的變化情形。圖12圖13圖14四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材直流電源供應(yīng)器、三用電錶、電阻、電感、電容、麵包板、電流計(jì)、開關(guān)裝置五五. . 結(jié)果與討論結(jié)果與討論: :RC電路中放電過(guò)程的迴路方程式為 ，試寫出推導(dǎo)此式子的過(guò)程。量出來(lái)的充放電曲線(RC&RL)跟講義上的有什麼差