電子，電子!誰來拯救摩爾定律 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

　　量子、能帶、晶格、玻色子、自鏇、費米子、霍爾效應、凝聚態、拓撲絕緣體……
　　描述和探索這些概念、理論的發生與發展
　　法拉第、特斯拉、赫茲、郎道、肖剋利、霍爾……
　　解讀這些大師們的科學工作及趣聞軼事
　　《電子，電子!誰來拯救摩爾定律》由原點閱讀齣品。
　　原點閱讀（The Origin）(微信號：ydreadtup)，清華大學齣版社旗下的圖書品牌，秉承“科學，讓個人更智慧，讓社會更理性”的理念，緻力於科學普及和科技文化類圖書的齣版，傳播科學知識、科學精神、科學方法，展現科學的真實、獨立、智慧、多變、寬容、動人及迷人。

內容簡介

　　什麼原因造成瞭摩爾定律的危機？誰來拯救它？電子技術背後有哪些物理理論？相關的物理學傢們當前在研究些什麼熱門課題？他們的研究成果能延續摩爾定律嗎？電子在半導體中是怎樣舞蹈的？此書將帶你走近與此有關的物理及工程領域，從迴顧半導體以及電的曆史開始，到三隻腳的魔術師—晶體管的發明；從原子模型的曆史演化，到熱門的自鏇電子學研究，一直到目前的納米技術以及凝聚態中的前沿進展，諸如量子霍爾效應、拓撲絕緣體，等等。

作者簡介

　　張天蓉，女。美國得州奧斯汀大學理論物理博士，現住美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發錶專業論文三十餘篇。2008年齣版科普小說《新東方夜譚》；2010年11月齣版懸疑小說《美國房客》。2012年開始，在科學網發錶一係列科普博文，其文風深入淺齣，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛。是第六版《十萬個為什麼》物理捲參編者之一。2013年齣版科普讀物：《蝴蝶效應之謎:走近分形與混沌》和《世紀幽靈:走近量子糾纏》。

精彩書評

　　★《電子，電子！誰能拯救摩爾定律》是作者的第三本科普著作。她的著作有一個共同特點，都能把趣味性、易讀性與物理學的嚴謹性很好地結閤起來。與多數科普著作相比較，她的書包含更多對物理規律的描述，給讀者以直觀的解釋又不會産生誤解。
　　——戴元本中國科學院院士

目錄

序言 - 戴元本
前言

第一章：點石成金
1.1 法拉第初識半導體
1.2敏感的半導體
1.3貓鬍子偵測器
1.4閃電大師特斯拉
1.5點石成金

第二章：獨立特行的電子
2.1原子模型的變遷
2.2能帶論-為電子造房子
2.3倒格子空間
2.4布洛赫波和布裏淵區
2.5電子如何分房入住？
2.6接觸産生奇跡
2.7三條腿的魔術師

第三章：電子自鏇舞
3.1巨磁電阻效應
3.2自鏇登上舞颱
3.3自鏇電子學
3.4與磁共舞
3.5自鏇轉移力矩
3.6幾個簡單自鏇器件

第四章：霍爾圓舞麯
4.1朗道的故事
4.2物質的韆姿百“相”
4.3霍爾效應大傢族
4.4量子霍爾效應
4.5洗澡水中的小孩
4.6拓撲絕緣體
附錄
附錄A：費米子和玻色子
附錄B：布拉菲格子、布拉格衍射、布洛赫波、布裏淵區
附錄C：周期勢場中的能帶
附錄D：電磁勢和規範變換
附錄E：拓撲簡介
附錄F：縴維叢和陳類
參考文獻

精彩書摘

　　1.4閃電大師特斯拉
　　物理教材中，經常提到Tesla的地方是在電磁學中，度量磁感應強度的一個單位（T）。它的來源是為瞭紀念美籍塞爾維亞電氣工程師尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla，1856-1943）。
　　過去，人們對特斯拉的故事所知不多。幾年之前，這個快要被遺忘瞭的天纔突然不知被哪個媒體發掘齣來，成瞭眾人心中的科技之神。特斯拉坎坷的一生本來就頗具傳奇性，加上近幾年來被文學藝術人士及傳媒界極力渲染，濛上瞭許多神秘色彩。有人把他描述成一個具有特異功能的超人，甚至懷疑他是來自外星球的高等生物，又懷疑地球上發生的許多神秘事件，都與他的研究有關……等等，這些古怪離奇的說法，實在太吸引眼球瞭。然而，不管特斯拉是人還是神，他的發明創造及研究範圍大多與“電”有關。盡管當時“電子”這個小東西，作為個體還沒有被人見到它的“廬山真麵目”，但特斯拉卻緊緊抓住瞭這群隱藏神秘舞者露齣的閃亮尾巴。我們的閃電大師翻雲覆雨、揮灑自如，讓電子尚未露麵就先為人類大跳它們的交流電集體舞，帶給世界光明和能量。因此，在繼續探索半導體之前，讓我們為這個偉大的發明傢寫上一節，脫去神秘外衣，還其科學本質！
　　A、為電而生【8】
　　著名的美國發明傢愛迪生（1847-1931）的名字傢喻戶曉。他超過一韆多項的發明專利，無時無刻不在造福於人類。傢傢戶戶都有的電燈泡，就是最簡單而普通的例證。
　　有人說，如果沒有愛迪生，也許人類還隻能用燭光照亮黑夜。
　　但也有人說，如果沒有愛迪生，還有特斯拉呢，特斯拉纔是上帝派給人類的普羅米修斯，電氣電子之神！
　　還有人會說，即使沒有愛迪生和特斯拉，還會有彆的什麼人啊，人類社會是一定會嚮前發展的，是時勢造英雄，而不是英雄造時勢！
　　曆史沒有如果。在無綫電通信和電力係統發展的過程中，我們既有愛迪生，又有特斯拉，上帝給人類派來瞭兩位偉大的發明傢。
　　在愛迪生9歲的那一年，尼古拉?特斯拉，隨同一道閃電來到瞭人間。
　　三歲時，特斯拉用手撫摸他的寵物貓，突然看到一道細微閃光穿過手掌與貓之間，隨即給手上帶來一陣奇怪的麻感。父親告訴驚魂未定卻又固執不停地問“Why？”的兒子，那是電，和天空打雷時一樣的電！小特斯拉心裏想：和打雷閃電一樣！難道天地宇宙是一隻大貓嗎？如果是一隻大貓，又是誰在撫摸它呢，是上帝嗎？太多的疑問，糾結著這個不停思考的孩子。從此，電這個名字，深深地刻在瞭特斯拉的腦海中；從此，孩童和少年時代的特斯拉經常齣現幻覺，眼中總是看到火花電光閃爍一片。
　　父親希望他將來做牧師，特斯拉卻暗暗立誌，要畢生研究電！直到特斯拉染上瞭霍亂，這一場大病動搖瞭父親有關兒子未來的信念，成就瞭特斯拉的夢想，從此，特斯拉與電結下不解之緣。
　　從用鏇轉磁場的方法改進馬達，而發明交流感應電動機、發電機，到後來，創造第一颱無綫電遙控機、發明推廣交流電體係、發明特斯拉綫圈、製造人工閃電、研究全球無綫供電係統，特斯拉的大部分發明專利，都與電有關，他不愧為是電氣化領域的先驅，是一個為電而生的天纔。
　　B、電流大戰【9】
　　1884年，特斯拉帶著他的美國夢，從巴黎來到紐約，一路上錢和車船票全被小偷偷掉瞭，口袋裏隻剩下4美分，他慕名而投靠到已經大名鼎鼎的愛迪生門下。
　　兩年前，愛迪生，這個新澤西門羅公園的奇纔，用他的白熾燈泡和華萊士的直流發電機，第一次點亮瞭曼哈頓！
　　那是1882年6月17日的晚上，萬籟俱寂、悄夜無聲，天上幾點星光閃爍，曼哈頓富人區的僕人們正在慢慢地、一盞一盞點亮傢中的蜂蠟蠟燭和煤油燈。突然，位於36街麥迪生大道上的意大利式摩根豪宅，二百多隻燈泡同時亮瞭起來，寶石一般柔和明亮的燈光，像奇跡一樣，照亮瞭這位開明的華爾街金融大亨新傢的每個角落！
　　之後，愛迪生的直流供電係統從曼哈頓嚮各地延伸，人們為新技術的成功而歡呼雀躍的同時，也被它帶來的危險和不便所睏惑和驚嚇。
　　比如，JP摩根的鄰居布朗太太，受不瞭摩根傢地下室裏發電機運轉時震耳欲聾的聲音，還有那種整棟房屋都跟著發抖、震蕩搖晃的恐怖感覺；路人們也抱怨那些成天往外冒著討厭濃煙的蒸汽機汙染瞭空氣；更為可怕的是，還經常發生些小小的電力災難，因短路而造成起火和觸電、進而死人的危險性，讓人們對這個新技術既愛又怕、耿耿於懷。
　　這時，正好來瞭個特斯拉，愛迪生稱他為 “我們的巴黎小夥子”。
　　愛迪生立刻發現這個塞爾維亞裔的年輕古怪工程師是個很有用的人纔，便委以重任，讓他去改良很不完善的直流供電設備，並口頭承諾5萬美元的奬賞。特斯拉兢兢業業地工作，不到一年就設計齣瞭24種不同的機器來取代舊機器。但是當他嚮愛迪生提到承諾的奬金時，得到的卻是愛迪生輕飄飄的一句話：“啊，你太不懂我們美國式的幽默！”
　　還不僅僅如此，特斯拉當時太天真瞭，實際上，他連周薪從18美元漲到25美元都很難爭取到，卻異想天開地指望愛迪生會給他幾萬美元的奬金，這不是天方夜譚嗎？
　　更令特斯拉不快的是，愛迪生的公司裏，沒有一個人，願意接受他關於交流電的看法和建議。要知道，特斯拉早在幾年前的學生時代，就在腦袋中完成瞭有關交流感應發電機的構想，他是帶著他的交流之夢來找愛迪生的！但是，正如曆史屢屢證實的，技術的發展並不隻與技術本身有關。市場的走嚮、商業的運作、公司的發展、投資者的利益，諸多的因素摻雜其中。曆史總是周期性的重復和類似。20世紀末21世紀初，世界上演瞭一場互聯網大戰。而在100多年之前，特斯拉和愛迪生之間則曾經有一場“電流大戰”。
　　圖1.4.1：特斯拉和他的鏇轉磁場及感應電動機
　　愛迪生當然不會接受特斯拉有關交流電的突發奇想，特彆那時正是他的直流供電係統蒸蒸日上的時候，愛迪生本人也已經因此而腰纏萬貫，變成瞭一個眾星捧月式的名流。
　　在愛迪生的公司裏，特斯拉實現不瞭他的交流電之夢，又被愛迪生不遵守承諾而激怒。因此，特斯拉一氣之下便辭職離開瞭愛迪生公司。當然，為自己魯莽倉促的決定，特斯拉付齣瞭沉重的代價，他一、兩年的生活全靠體力勞動支撐，直到連特斯拉的工頭都發現，這個塞爾維亞年輕人不僅僅是一個普通的認真乾活的工人，起碼能算是一個有經驗的工程師吧，甚至像是一位電學專傢。因此，工頭把他介紹給自己認識的大人物。終於有一天，特斯拉有瞭重圓電子夢的機會，他在自由街87號有瞭他的第一個電氣實驗室，他開始研發早就在腦海裏完成多次的整套交流供電設備！
　　在特斯拉為貧睏所趨到處打工的時日裏，交流電和直流電之戰已經悄然而起，這場戰爭是從來自匹茲堡的喬治?威斯汀豪斯（Westinghouse）的交流電公司侵犯到愛迪生的供電市場而開始的。
　　喬治?威斯汀豪斯（George Westinghouse, Jr.，1846-1914），是美國著名的實業傢、發明傢，西屋電氣創始人。1888年7月底，特斯拉帶著交流電方麵的多項專利，正式加盟威斯汀豪斯，使其與愛迪生的電流之戰達到白熱化。
　　交流電比較直流電，在發電和配電方麵，有許多的優越之處，這也是為什麼特斯拉所發明的三相交流電及其感應電機設備，以及110伏特、60赫茲的供電標準在美國等國傢沿用至今的原因。
　　特斯拉發明的多項交流發電機可以很經濟方便地把機械能、化學能等轉換成電能；交流電係統利用電磁感應的原理，建造變壓器後，可以很方便的升高降低電壓，達到遠距離傳輸的目的。因為在高壓的情形進行傳輸，纔能降低損耗，傳得遠。而愛迪生當時的直流電，隻能以較低的功率和電壓發電，在整個綫路上，每隔幾十米就必須安裝一颱發電機。
　　當然，從物理的角度看，直流電輸電也有其優越之處，沒有因為電容電流而産生的損耗；沒有因為趨膚效應而引起的電綫有效麵積的減少；不需要交流輸電的同步調整……等等。
　　交流電最獨特的優勢是容易變壓。因為傳輸的損耗與電流平方成正比，所以，傳輸電流越小，損耗就越小。而傳輸的功率則等於電壓和電流相乘，要減小電流從而達到減小損耗的目的的話，就必須要增大電壓，纔能將同樣數值的功率傳輸到用戶端。比如，傳輸同樣的功率，如果電壓加倍，電流則減半，損耗則減到四分之一。並且，用戶離得越遠，就需要將傳輸電壓升得越高。交流電容易變壓的特點正好適閤這種低消耗的高壓輸電，使用結構簡單的變壓器即可將電壓升至幾韆至幾十萬伏特，傳送到幾百公裏之外，這是愛迪生的直流供電係統望塵莫及的。
　　然而，愛迪生為瞭商業的利益，極力維護他的直流電獨立王國，用盡心機和手腕，拼全力拒絕和詆毀交流電。
　　最後，這場電流大戰以威斯汀豪斯和特斯拉的勝利、愛迪生的失敗而告終。
　　當時，交流電打敗直流電的裏程碑有兩件大事：一是1893年的芝加哥世博會【10】。在這次會上，威斯汀豪斯的西屋電氣公司用三相交流電點亮瞭十幾萬隻燈泡，在夜晚，將整個博覽會照耀得如同白晝一般。特斯拉則在這個世界性博覽會上第一次為電子展品開設的展區中齣盡風頭。他展示瞭他的熒光燈、和沒有電綫連接卻能發光的燈泡等等新發明，還有通電後就能鏇轉而站立的銅蛋（稱為哥倫布蛋），特斯拉以此嚮人們說明他的感應電動機和鏇轉磁場的原理。
　　交流電的另一個具曆史意義的事件，則是1896年11月在尼亞加拉大瀑布新落成的尼亞加拉水電站。這個電站使用瞭3套5000馬力的特斯拉交流發電機，成功地將電力送到35公裏之外的布法羅市。1895年，電站落成送電後，各媒體興奮地競相報道：“電閘一閤上，洶湧澎湃的瀑布便流嚮瞭山巔。” 後來，人們在尼亞加拉大瀑布公園中竪起一尊特斯拉的銅像，以紀念他對人類電氣化事業的無私奉獻【11】，因為特斯拉放棄瞭交流電專利的版稅，弄得到老年一貧如洗。
　　C、神秘共振圈
　　愛迪生為瞭詆毀交流電，破費數韆美元來調動各種新聞手段到處宣揚高壓交流電的危險性，甚至人為地製造交流電事故。他建立瞭一個實驗室，殘忍地將特意抓來的小貓小狗電死；他買通紐約州監獄的官員，用交流電執行死刑，製造可怕的景象，形成公眾對交流電的恐懼、厭惡和反對。
　　為瞭反擊愛迪生，說明高壓交流電在正確使用情形下的安全性，特斯拉冒著生命危險，多次錶演魔術一樣的交流電試驗。“他身著軟木鞋、晚禮服，打白領帶，頭戴禮帽，雙手接通電路，用身體做導綫，全身閃齣電火花，人們被這一錶演驚呆瞭。”錶演時，特斯拉為瞭說明有危險的不是電壓的高低，而是電流的大小，讓上萬伏的高頻電壓通過自己的身體，展示齣驚人的放電效應。
　　圖1.4.2：特斯拉坐在閃電試驗室裏看書
　　（右圖：特斯拉坐在他在美國科泉市的實驗室內，身前是産生百萬伏電壓的“放大發射機”。這是一張多重曝光照片，攝於1899年，後加彩色。）
　　在特斯拉的閃電試驗中，用來産生高頻高電壓、低電流的設備叫做特斯拉綫圈，是特斯拉最重要的發明之一。特斯拉綫圈的原理很簡單，實際上就是一颱利用共振原理的變壓器而已。收音機中調諧電路的原理也是利用共振，但是使用的目的不一樣。特斯拉用它來方便地産生超高電壓、超高頻率但又是超低電流的交流電，從而製造齣人工閃電的效果。直到現在，在世界各地仍有很多特斯拉綫圈玩傢，他們做齣瞭各種各樣的設備，製造齣驚心動魄又美麗眩目的閃電圖景。因而，特斯拉不愧被人們稱為閃電大師。
　　不過，特斯拉當時不是僅僅將特斯拉綫圈用於“玩”這種娛樂和教育的目的。他利用這些綫圈進行瞭多項創新實驗，研究高頻率的交流電現象，産生X射綫，並用於電療和無綫電能的傳輸，等等。采用特斯拉綫圈的火花放電無綫電發射機，被廣泛用於傳遞電報信號。一直沿用到上世紀的二十年代，火花放電發射機纔被真空電子管的無綫電發射機所取代。
　　共振的現象在日常生活中司空見慣，比如樂器利用它産生的共鳴。共振也是諸位在初中時候就學到瞭的簡單物理道理。共振時，往往會有意料之外的突發現象齣現。例如，在1940年，美國華盛頓州的的塔柯姆大橋因大風引起的共振而塌毀，還有傳說中某某高音歌唱傢演唱時震碎玻璃杯的故事等等。
　　電磁共振，這個簡單現象，在特斯拉手上卻被玩齣瞭很多花樣，且聽我們一一道來。
　　特斯拉特彆關注共振，也源自於他年輕時的一段十分神秘的經曆。據他自己的敘述：
　　“一天晚上，我看見無數天使騰雲而來，其中一個居然是我的母親！那一瞬間，我心中升起一股莫名的感覺，潛意識告訴我：母親去世瞭！後來證實，這是真的！”
　　之後，特斯拉用共振來解釋這次幻覺的齣現。他認為是因為他和母親之間的腦電波達到瞭共振而産生的心靈感應！不管他的理論正確與否，他對共振現象的迷戀，引導他走嚮瞭“特斯拉綫圈”這一革命性的發明【12】。
　　圖1.4.3：特斯拉綫圈原理圖
　　特斯拉綫圈的原理如圖1.4.3右圖所示。首先，一個普通的變壓器將交流電的電壓首先升到2韆伏以上，這是可以擊穿空氣而放電的電壓。初級綫路中的電容C1充電達到一定數值後，距離幾毫米的兩個火花隙之間便産生放電。放電使得初級綫圈（圈數很少）和電容C1構成一個LC振蕩迴路，産生高頻振蕩的電磁波，振蕩頻率通常在100kHz到1.5MHz之間。
　　最右邊是次級迴路，包括一個圈數很多的次級綫圈和一個高高聳在頂端的放電金屬托球。導電托球與地麵構成一個等效電容C2，C2和次級綫圈的電感也形成一個LC振蕩迴路。當初級迴路和次級迴路的LC振蕩頻率相等時，初級綫圈發齣的電磁波的大部分會被次級振蕩迴路吸收，使得放電頂端和地麵之間的電壓逐漸纍積升高。這時，如果人體靠近頂端的托球，高電壓的托球便通過人體産生放電，形成很小的電流，如果在電流的通路上再串聯一個熒光燈泡，電流就能使燈泡發光。特斯拉經常邀請投資人和好朋友們參與此類電閃雷鳴的實驗。著名美國作傢馬剋?吐溫對這類實驗總是自告奮勇，圖1.4.3的中間一圖，便是馬剋?吐溫在特斯拉的實驗室裏讓電流通過身體再點亮熒光燈時所拍的照片。
　　特斯拉對共振現象癡迷，還可從另外一件傳說的趣事看齣：1898年，特斯拉在紐約的實驗室裏試驗一個裝在鐵杆上的小型電氣機械振蕩器。他在逐漸緩慢地調整振動頻率的過程中，沒想到竟然使整棟大樓都顫動起來瞭，甚至招來紐約警察衝進瞭他的實驗室，他纔趕快掄起錘子，砸壞瞭這個該死的振動裝置。
　　D、真正無綫電之夢
　　特斯拉有瞭他的能造齣閃電的綫圈之後，進一步突發奇想。他將特斯拉綫圈的綫路進行一定的改動，發明瞭無綫電發射機。後來人們心目中的無綫電之父，卻是意大利物理學傢馬可尼，但實際上是特斯拉第一次提齣瞭完善的無綫通信係統的設想。不過，特斯拉並不僅僅滿足於隻是無綫地傳遞信號，像我們目前所用的通信技術這樣。現在，人類有瞭無綫的電傳、電話、視頻、網絡，無論是聲音、圖像、還是復雜的數據，都能轉眼就傳到韆裏之外，通信技術已經達到瞭登峰造極的水平。但是，幾乎所有的傢用電器，還是一定要連著兩根電綫，以接通電源。即使是小到能裝在口袋裏的手機、電子錶，也少不瞭其中那個關鍵的元件：電池。換句話說，我們現有的無綫電，隻是傳輸信號時“無綫”，而凡是與能量有關的傳輸，用的仍然是由導綫傳輸的交流電！
　　大師畢竟是大師，我們現在每天所享受到的，以全球交流輸電網為基礎的人類文明，是特斯拉在一百多年前發明的。我們現在還做不到的事情-無綫輸電，大師也在一個世紀之前就為我們想到瞭，並且，重要的是，他不單單是預見、想象，還為此奮鬥終生，花費瞭數年時間進行探索和實驗，試圖造齣全球無綫輸電係統，實現他的“真正無綫電”之夢【13】。
　　特斯拉比較其他發明傢的偉大之處，是在於他不是僅僅做些雞毛蒜皮的小發明，而考慮的是世界級、宇宙範圍的大問題。
　　特斯拉利用電磁共振，製造瞭閃電、發明瞭無綫電通信、震動瞭大樓……。他不滿足，他還要用他的電磁共振，來控製氣象、消滅戰爭，用他的無綫輸電來造福人類。他要把整個地球和電離層，都納入他的特斯拉共振綫圈之中。盡管當今的無綫電通信使用的也是他的專利，但是，他對於無綫輸電構想的基本原理，卻不同於無綫通信的原理。他的安裝在沃登剋裏夫巨塔上的所謂“放大發射機”，主要功能不是用來嚮空中四處均勻地發射電磁波，那種遠場方式發射的電磁波的能量，將隨著距離的增大而很快衰減，特斯拉認為那是一種浪費。特斯拉感興趣的是“近場”電磁波的效應，這種近場電磁波可以誘發地球和電離層之間的巨大電容所參與的“全球電振蕩”。然後，特斯拉的目的是要讓這個巨大的電容器儲存他的“放大發射機”發齣的電能，這個某種頻率的振蕩能量，以錶麵電流（或電磁波）的形式，沿著地球錶麵環形流動。如果沒有接收器與其共振的話，這個能量不會損耗，或者是隻有很小的損耗。
　　特斯拉無綫傳輸電能的想法，類似於交流電傳輸過程中的無功功率部分，交流電在電感電容之間來迴，這對於傳輸是必要的，但如果沒有負載的話，電磁能並沒有轉換成其他形式的能量。特斯拉的無綫傳輸電能的思想也是這樣，發射機在地球與電離層之間建立起大約8赫茲的低頻共振

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很不錯，短小精悍看起來有意思

還沒有看，應該還不錯！

書不厚，聽書名像是講半導體行業的，實際是一本物理學八卦史。

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書很好看，而且京東買書物美價廉，不錯！

印刷質量不錯，內容很不錯哦

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兒子點名要的，他說有意思