电导和导体简介

到现在为止，您应该很清楚导电性与某些类型材料之间的相关性。那些允许自由电子轻松通过的材料称为导体 ，而那些阻碍自由电子通过的材料被称为绝缘体 .

不幸的是，解释为什么某些材料导电而其他材料不导电的科学理论根植于电子如何围绕原子核排列的量子力学解释。与众所周知的“行星”模型相反，电子围绕原子核旋转为圆形或椭圆形轨道中定义明确的物质块，“轨道”中的电子根本不像物质。相反，它们表现出粒子和波的特征，它们的行为受到被称为“壳”和“子壳”的原子核周围不同区域内放置的限制。电子只能在有限的能量范围内占据这些区域，这取决于特定区域以及该区域被其他电子占据的程度。如果电子真的像被静电引力围绕在原子核轨道上的小行星一样，它们的行为由描述真实行星运动的相同定律描述，那么导体和绝缘体之间就没有真正的区别，原子之间的化学键也不会以他们现在的方式存在。正是量子物理学描述的电子能量和位置的离散、“量化”性质赋予了这些现象其规律性。

激发态原子

当电子可以自由地在原子核周围呈现更高的能量状态时（由于它位于特定的“壳”中），它可能可以自由地脱离原子并构成通过物质的电流的一部分。

基态原子

然而，如果施加在电子上的量子限制否定了它的这种自由，则电子被认为是“束缚”的，不能脱离（至少不容易）以构成电流。前一种情况是典型的导电材料，后一种情况是典型的绝缘材料。

一些教科书会告诉你，元素的电导率完全取决于原子外“壳”（称为价 壳），但这是过于简单化了，因为在元素表中对电导率与价电子的任何检查都会证实。当考虑分子（通过电子活动相互结合的原子的集合）的电导率时，情况的真正复杂性得到进一步揭示。

这方面的一个很好的例子是元素碳，它由导电性差异很大的材料组成：石墨和金刚石 .石墨是电的良导体，而金刚石实际上是绝缘体（更奇怪的是，它在技术上被归类为半导体 ，其纯形式充当绝缘体，但可以在高温和/或杂质的影响下导电）。石墨和金刚石都由完全相同类型的原子组成：碳，每个都有 6 个质子、6 个中子和 6 个电子。石墨与金刚石的根本区别在于石墨分子是碳原子的扁平群，而金刚石分子是碳原子的四面体（金字塔形）群。

有意将杂质引入本征半导体以改变其电学、光学和结构特性称为掺杂 .如果碳原子与其他类型的原子结合形成化合物，则电导率会再次改变。碳化硅是硅和碳元素的化合物，表现出非线性行为：其电阻随着施加电压的增加而降低！碳氢化合物（例如油中的分子）往往是非常好的绝缘体。如您所见，原子中价电子的简单计数不能很好地指示物质的电导率。

由于原子相互键合的方式，所有金属元素都是电的良导体。包含大量金属的原子的电子在其允许的能量状态下不受抑制，以至于它们在物质的不同原子核之间自由漂浮，很容易受到任何电场的激励。事实上，电子是如此易移动，以至于科学家有时将它们描述为电子气体 ，甚至是电子海 原子核位于其中。这种电子迁移率解释了金属的其他一些常见特性：良好的导热性、延展性和延展性（容易形成不同的形状），以及纯净时的光泽。

值得庆幸的是，这一切背后的物理原理与我们在这里的目的几乎无关。可以说有些材料是良导体，有些是不良导体，有些介于两者之间。就目前而言，简单地理解这些区别是由材料组成原子周围的电子配置决定的就足够了。

让电力满足我们的要求的一个重要步骤是能够构建路径以控制电阻量的电流流动。通过使用绝缘材料，我们能够防止电流流到我们不希望的地方，这一点也非常重要。然而，并非所有导体都是相同的，也并非所有绝缘体都是相同的。我们需要了解常见的导体和绝缘体的一些特性，并能够将这些特性应用到具体的应用中。

几乎所有的导体都具有一定的、可测量的电阻（称为超导体的特殊类型的材料 绝对没有电阻，但这些不是普通材料，它们必须保持在特殊条件下才能具有超导性）。通常，我们假设电路中导体的电阻为零，并且我们期望电流通过它们而不会产生任何明显的电压降。然而，实际上，无论我们是否希望电压降存在，沿着电路的（正常）导电路径几乎总是会有电压降：

为了计算任何特定电路中的这些电压降，我们必须能够确定普通电线的电阻，知道电线的尺寸和直径。本章的以下部分将介绍执行此操作的详细信息。

评论：

• 材料的电导率取决于材料原子和分子（成键原子团）中的电子配置。
• 所有普通导体都具有一定程度的电阻。
• 流过具有（任何）电阻的导体的电流会在该导体的整个长度上产生一定量的电压降。

相关工作表：

• 导体和绝缘体工作表
• 导体比电阻工作表