有些物质为什么能够导电?

编辑: 逍遥路 关键词: 初中物理 来源: 高中学习网

晏成和

从中学到大学,所有的教科书上都写到:“金属体内充满着由自由电子,金属导体是靠其内部的自由电子传热、导电。”这百年导电理论对电压的形成都狡黠地回避,对电阻的形成更是闭口不谈,留下了一百年的疑虑:

物质原子有1、2、3个价电子是自由电子,

有4、5、6、7个价电子物质的电阻很大,电子多了为什么会失去自由?

自由电子的自由是从何而来?

为什么有二个自由电子的铁比一价的铜的电阻要大?

为什么三价的铝又比二价的铁的电阻又小些?

看来价电子数量与物质的导电能力与电阻没有什么逻辑联系。

导电性能是物质的一个重要物理特征,人们依据导电能力把物质分为导体、半导体、绝缘体和超导体。面对不同物质的导电性能,各专业学者分别建立了不同的导电理论:面对金属导电建立了自由电子导电理论,半导体导电靠自由电子与空穴,液体导电是靠离子,超导靠的是库伯电子对理论。

自由电子、空穴、离子等被命名为载流子。就这样,现有的导电学说就是发现一类导电物质,就命名一种载流子,就对应建立一套自圆其说的导电理论。这种用分别探索、各自建立的互不相关的理论,如同盲人摸象,丧失了系统性、逻辑的一致性,显然不是自然物质导电的客观实在,是猜想和胡编乱造的大拼盘。

在前文的论述中,读者已经了解到不管是金属还是非金属,原子的核外电子数是与核内的质子数一一对应的,是不可改变的。没有电子是所谓自由的,即:金属内没有自由电子。有人会问,金属内若是没有了自由电子,那么,在金属导体内传导电流的不是自由电子又是什么?物质是靠什么导通电流,的确是一个值得反思的问题。

电流是在闭合导体内、电子在电压的作用下的定向流动。就像水流是水的定向流动一样,这叫人联想到一个常用的中国词“流通”,通则流,不通则不流。水流不是因为该物体内有水(桶里的水,池塘里的水就不能形成水流)。除了压力差之外还必须得“通”——必须得有让水定向通过的空间(如渠道、管道等)。

电流不是因为该物体内的电子有自由,而是因为“通”——因为原子外层有 “通路”,首先能让电压波在其间传输——信息通,其次,还必须得有让电子定向通过的通路——空间位置通,然后才能形成电子在其间的流动——电流。

导体与绝缘体的本质差异在于能否导通电压,能传导电压是导体的显著特征,物质有无导电能力与能否导通电压息息相关。

那么,是什么使得物体能够导通电压?——是该物体原子的最外层,因价和电子数量较少并且运转不够饱满(在平面运转,没能形成饱满的球状),在原子体周边,存在着能让电压波在其间穿行、传导的通路;存在着能让外电子窜入的间隙和时机;存在着能让电压波及电子在其间通行穿越的空位。

我们把原子外层所呈现的这种空位叫做电子空位。电子空位是电压波传导通路,也是电子流动的通路。有了这样的通路,电压波才能在其间传导,电子才能在其间换位运动,形成电子的宏观流动——电流。

导电原理是:某物质原子的价电子较少,外电子层不饱满,存在着电子空位、存在着电压波在其间传导的通路,在电压波作用下,电子在连成回路的电子空位间换位移动,形成电流。

有了电子空位,才能形成通路,各种电压波才能在其间传导,电子才能在电压波的驱使下在其间换位运动形成各种电流。直流,交流,各种波形、各种频率的电流都必须在电子空位间传导。

明确了导电原理,电阻的构成也就明晰:电阻是物质内电子通路通畅的程度。即物质内电子通路的宽窄和开通的时机。

如果把电流比喻为公路上的车流,那电子空位所形成的通路就是公路,而电压就是指令——公路上的红绿灯,电阻就是公路的宽窄和红灯,电子是按指令自动运行的汽车。有了这三者,才能形成通畅的导电。

所有的物质,不管是金属导体、半导体还是液体、超导体,只要是能够导电,都是因为有了电子空位在物质内形成通路,电压波才能在电子空位通路间传导,形成闭合通路后,电子才能在其间按电压波的指令(直流、交流、正弦波、信号波)换位运动形成电流。所有物质的导电共存此一理。

大自然总是用最简原则构成自己,不会一时用自由电子,一时用离子,一时用空穴来导电,大自然不会煞费心机地去搞那些各种各样的载流子。

电子空位是由价和电子的数量、速率及线路所决定。金属原子外层电子较少,每个原子的外层仅有一、两个价和运转围绕,物质内的电子空位多,电压波传导快捷,电子换位空间大,并且易于在其原子间流动,该物质的导电能力就强,电阻较小。如银、铜的核外层价电子仅1个,相应地电子空位多,故导电能力强。铝只有最外层的一个价电子参入价和运转,所以和铜一样,电子空位较多,导电能力亦很好。

铁、?等金属有2个价电子,每个原子有两个运转环绕,电子空位相对较少,电子换位空间较小,电压波在其间传动不畅,电子不易于在其原子间换位流动,这类物质的导电能力就要差些。

此外,温度对导体的电阻也有影响:温度升高,原子的核外电子速率较快,电子空位相对窄小,电压波通路相对较小,导体电阻变大,导电能力下降;反之,当温度降低,导体原子的核外电子速率减慢,电子空位相对较大,电压波通路相对较大,电子在电压波的作用下,换位流动时受阻概率小,这样,电子易于在结构元间换位移动。该导体的电阻就小。

半导体的主要材料是硅,每个原子有4个价电子,只有较少的电子空位,参杂少量3价或5价元素后能够提高电子空位存在的时机。半导体导电能力在导体与绝缘体之间。半导体导电不是空穴,半导体和超导体的导电将专题讨论。

在绝缘体内,因原子的价电子多,每个原子由多个价和运转包围着,使原子的外电子层趋近饱和,没有电子空位,不能形成通路。化合物的核外电子数量之和一般是8或8的倍数,没有电子空位,电压传输受阻。电压波不能在其间传导,核外电子不能有换位运动,不能形成导电,所以构成了良好的绝缘体。物质的导电不是电子的自由,因而物质的导电率相差几十个数量级。

气态物质则是因为物质的价和电子速率过高,而且进行着立体运转,一般不会产生电子空位,外电子不易进入。加之分子间的斥力较大,分子间距离太远,因而也不导电。只有极高的电压才能在其间冲开一条血路——闪电或高压放电。

液体导电在液态物质专题论述。可以明确的告知大家的是:液体导电不是所谓离子,只要是能够导电,都是因为有了电子空位在物质内形成通路——流通。

大自然就是这样用价电子的数量,让有些物质能够良好导电;有些物质构成半导体;有些物质形成绝缘体。如此,构成丰富多彩的电世界。


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