从微观物理过程理解导体的导电性

电荷在电压的驱动下定向移动形成电流,电荷在介质中运动受到的阻碍就叫做电阻。1826年,德国的物理学家欧姆用他发明的仪器证明对于外形固定的导电介质,其两端电势差(电压)和通过的电流大小成正比,即呈欧姆定律关系:U=IR。因此人们把电阻定义为通电介质两端的电压与其通过的电流之比,即R=U/I。为了纪念欧姆的贡献,电阻的单位被命名为欧姆,为希腊字母Ω。

电荷在介质中运动会受到各种阻碍,比如材料内部原子的热振动、材料中的杂质和缺陷、材料内部的磁性结构等等。不同材料内部原子类型和排列方式多种多样,这将导致它们的电阻率不同。此外,外部环境如温度、压力、磁场等也会改变料内部的电子态,使得材料的电阻率发生变化。根据材料电阻率从大到小,可以划分为绝缘体、半导体、导体和超导体。常见的绝缘体有玻璃、橡胶、陶瓷、塑料等。干燥的大气一般也是绝缘体,但是雷雨天气下空气湿度很大,其中含有的正负离子也比较多,这时的空气经是导体了,在云层高压作用下可以产生闪电。因此,如果单纯用电阻率大小来划分的话,绝缘体和半导体、半导体和导体之间的界限并不是十分明确。

区分导电介质的类型还可以通过电阻率随温度变化的行为来判断:随着温度的降低,到低温下电阻率迅速增加甚###急剧发散的一般为绝缘体;低温下电阻率不断呈指数增加的为半导体;电阻率随温度下降而逐渐下降###终在低温下达到饱和值的为导体;当温度下降到一D程度,电阻率突然降为零的为超导体。

从微观的物理过程可以简单地理解如下:绝缘体中可以自由移动的电子非常少,且电子很容易被其他东西束缚住,要摆脱它们的束缚需要付出相当多大能量,因动能减小,温度越低效应越明显,因此绝缘体电阻率将会随温度降低而迅速增加。对于半导体,其中有一小部分电子可以自由移动,电子在外部电场的驱动下可以略显艰难地定向移动;对于导体而言,其中含有大量的可以自由移动的电子,一旦外界电场建立形成电势差,就可以驱动这些电子定向移动形成电流,电子运动过程受到的阻碍主要来自周围原子热振动的干扰和材料中的杂质和缺陷等的影响,温度降低导体的电阻将减小。对于超导体,在比较高的温度下其中电子运动行为和导体比较类似,但是一旦降到足够低的温度,一些电子将会“结伴而行”形成配对的电子对,这些电子对在运动过程中可以相互配合轻松地绕过杂质和缺陷的阻碍或者使它们受到阻碍的效果相互抵消,这样整体来看电子运动就是畅通无阻的“零电阻”状态。

首页 > 电工基础 > 日期:2022-6-25 来源:Internet 作者:yq 浏览量: