导体、绝缘体和电子流

不同类型原子的电子具有不同的运动自由度。对于某些类型的材料，例如金属，原子中最外层的电子是如此松散地束缚，以至于它们仅在室温热能的影响下在该材料的原子之间的空间中混乱地移动。因为这些实际上未束缚的电子可以自由地离开它们各自的原子并漂浮在相邻原子之间的空间中，所以它们通常被称为自由电子 .

导体与绝缘体

在玻璃等其他类型的材料中，原子的电子几乎没有移动的自由。虽然物理摩擦等外力可以迫使这些电子中的一些离开它们各自的原子并转移到另一种材料的原子上，但它们并不很容易在该材料内的原子之间移动。

材料内电子的这种相对迁移率被称为电导率 .电导率取决于材料中原子的类型（每个原子核中的质子数量决定其化学特性）以及原子如何相互连接。具有高电子迁移率（许多自由电子）的材料称为导体 ，而具有低电子迁移率（很少或没有自由电子）的材料被称为绝缘体 .以下是导体和绝缘体的一些常见示例：

• 导体
• 银色
• 铜
• 黄金
• 铝
• 铁
• 钢
• 黄铜
• 青铜
• 汞
• 石墨
• 脏水
• 混凝土

• 绝缘体
• 玻璃
• 橡胶
• 油
• 沥青
• 玻璃纤维
• 瓷器
• 陶瓷
• 石英
• （干）棉
• （干）纸
• （干）木
• 塑料
• 空气
• 钻石
• 纯净水

必须了解，并非所有导电材料都具有相同水平的导电性，并且并非所有绝缘体对电子运动的抵抗力都相同。导电性类似于某些材料对光的透明性：容易“传导”光的材料称为“透明”，而不能“传导”光的材料称为“不透明”。然而，并非所有透明材料都具有同等的光传导性。窗玻璃优于大多数塑料，当然也优于“透明”玻璃纤维。电导体也是如此，有些比其他的要好。

例如，银是“导体”列表中最好的导体，比引用的任何其他材料更容易让电子通过。脏水和混凝土也被列为导体，但这些材料的导电性远低于任何金属。

还应该理解的是，一些材料在不同条件下会经历其电气特性的变化。例如，玻璃在室温下是一种非常好的绝缘体，但在加热到非常高的温度时会变成导体。诸如空气之类的气体，通常是绝缘材料，如果加热到非常高的温度，也会变得导电。大多数金属在加热时会变成较差的导体，而在冷却时会变成更好的导体。许多导电材料变得完全导电（这称为超导 ) 在极低的温度下。

电子流/电流

虽然导体中“自由”电子的正常运动是随机的，没有特定的方向或速度，但可以影响电子以协调方式通过导电材料移动。这种电子的匀速运动就是我们所说的电 或电流 .更准确地说，它可以被称为动电 相对于静电 ，这是一个不动的电荷积累。就像水流过管道的空洞一样，电子能够在导体原子内部和之间的空白空间中移动。导体在我们看来可能是固体，但任何由原子组成的材料大多是空的！液体流动的类比非常合适，以至于电子通过导体的运动通常被称为“流动”。

这里可以进行一个值得注意的观察。当每个电子均匀地穿过导体时，它会推动前面的电子，从而所有电子作为一个组一起移动。即使每个电子的运动可能非常缓慢，电子流通过导电路径长度的开始和停止从导体的一端到另一端几乎是瞬时的。一个近似的类比是用弹珠端到端填充的管子：

管子里装满了弹珠，就像导体里装满了准备被外部影响移动的自由电子一样。如果一个弹珠突然插入左侧的这个完整的管子，另一个弹珠会立即尝试从右边的管子中出来。尽管每个弹珠只移动了很短的距离，但不管管子有多长，通过管子的运动从左端到右端的传递几乎是瞬时的。有了电，从导体一端到另一端的整体效应以光速发生：每秒 186,000 英里！！！但是，每个单独的电子以很多的速度穿过导体 速度较慢。

电子流过导线

如果我们想让电子沿某个方向流到某个地方，我们必须为它们提供适当的移动路径，就像水管工必须安装管道才能让水流到他或她希望流的地方。为了促进这一点，电线 由各种尺寸的高导电金属制成，例如铜或铝。

请记住，只有当电子有机会在材料原子之间的空间中移动时，它们才能流动。这意味着可以有电流only 其中存在一条连续的导电材料路径，为电子提供了一个通道。在大理石类比中，当且仅当管子在右侧打开以便大理石流出时，大理石才能流入管子的左侧（并因此通过管子）。如果管子在右手边被堵住，弹珠只会在管内“堆积”，不会发生弹珠“流动”。电流也是如此：电子的连续流动需要有一条不间断的路径来允许流动。让我们看一个图表来说明这是如何工作的：

细实线（如上图所示）是连续导线的常规符号。由于导线由导电材料制成，例如铜，其组成原子具有许多自由电子，可以很容易地通过导线移动。然而，除非它们有来源和去处，否则这条导线内永远不会有连续或均匀的电子流。让我们添加一个假设的电子“源”和“目的地”：

现在，随着电子源将新电子推入左侧的导线中，可以发生电子流过导线（如从左到右指向的箭头所示）。但是，如果导线形成的导电路径被破坏，流动将被中断：

电气连续性

由于空气是一种绝缘材料，并且气隙将两根导线隔开，曾经连续的路径现在已经中断，电子无法从源头流向目的地。这就像将水管一分为二，并盖上水管的断头：如果没有出口，水就无法流出。在电气方面，我们有一个电气连续性的条件 当电线是一体的，现在随着电线被切断和分离，这种连续性被打破了。

如果我们使用另一条通向目的地的电线并简单地与通向源头的电线进行物理接触，我们将再次拥有一条连续的电子流动路径。图中的两个点表示线段之间的物理（金属对金属）接触：

现在，我们有了从源头到新建立的连接、向下、向右和向上到目的地的连续性。这类似于将“三通”配件放入其中一个封闭的管道中，然后将水通过新的管道段引导至目的地。请注意，右侧的断线段没有电子流过它，因为它不再是从源到目的地的完整路径的一部分。

有趣的是，由于这种电流，电线内不会发生“磨损”，这与输水管道最终会因长时间流动而腐蚀和磨损不同。然而，电子在移动时确实会遇到一定程度的摩擦，这种摩擦会在导体中产生热量。这是我们稍后会更详细探讨的主题。

评论：

• 在导电 材料，每个原子中的外层电子可以很容易地来或去，称为自由电子 .
• 在绝缘 材料，外层电子不能自由移动。
• 所有金属都是导电的。
• 动态电力 , 或 电流 , 是电子通过导体的匀速运动。
• 静电 不动（如果在绝缘体上），由物体中电子过多或不足形成的累积电荷。它通常是通过接触和分离不同材料的电荷分离而形成的。
• 要使电子连续（无限期地）流过导体，必须有一条完整、不间断的路径让它们进出该导体。

相关工作表：

• 导体和绝缘体工作表