电导体

具备传导电荷能力的物质

电导体是指具备传导电荷能力的物质,比如铜、铁、铝等金属, 氯化银 、 硫酸铜 等液体。

简介

电导体是指 电阻率 很小且易于传导电流的物质。 导体 中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。在外 电场 作用下,载流子作定向运动,形成明显的电流。

金属是最常见的一类导体。金属原子最外层的价电子很容易挣脱 原子核 的束缚,而成为自由电子,留下的正离子(原子实)形成规则的点阵。金属中自由电子的浓度很大,所以金属导体的 电导率 通常比其他导体材料的大。金属导体的电阻率一般随温度降低而减小。在极低温度下,某些金属与合金的电阻率将消失而转化为“超导体”。

电导微观机制

电子电导

电子电导的情况主要存在于 导体 和半导体中,具体对于导体和半导体也还有区别,下面分别介绍。

(1)导体:金属是导体,具有 金属键 和规则的 晶体结构 。根据能带理论,金属的价电子处于 导带 中,全都是参与导电的载流子。如果是理想 晶体 ,在 电场 作用下,电子的运动不会遇到阻力,运动速度应该无限大,也就不会有 电阻 存在,但这与实际情况不符。这是因为实际的晶体一方面存在缺陷,另一方面,只要不是 绝对零度 ,晶格格点上的原子总是在不断地围绕平衡位置作振动,这种振动对于电子的定向运动构成了阻力,所以迁移率在不同的温度下具有不同的有限值,因而 电导率 也是有限的。

(2)半导体:根据能带理论,半导体在绝对零度时,因为 导带 中没有电子,在电场作用下不导电。但是当温度大于0K时,电子受热激发,从价带跃迁到导带,使导带产生自由运动的电子,而价带产生自由运动的 空穴 ,它们统称为本征载流子,载流子的浓度大小决定了高纯半导体的导电性。

离子电导

从理论上说,没有缺陷的离子晶体是 绝缘体 ,但实际的大多数离子晶体还是有低的电导率。

离子晶体中的电导主要为离子电导。离子电导是离子在 电场 作用下的定向扩散运动,分为两类。

(1)本征电导,也叫固有离子电导,是 晶体 点阵的离子由于热振动而离开了晶格,形成热缺陷。这种热缺陷无沦是离子还是空位都是带电的,都可作为离子电导载流子。

(2)杂质电导,由于杂质与基体间的键合弱,在较低的温度下杂质就可以运动,杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。

离子 电导率 的大小与温度、 晶体结构 、 晶体缺陷 有关。温度增加时电导率增大,在较高温度,固有电导起主导作用;低温下,杂质电导占主要地位。它与晶体结构的关系主要从原子间结合力的大小来考虑,原子间结合力大的,电导率低。晶体缺陷,特别是离子性晶格缺陷的浓度大,电导率高。因此离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。

功能材料

导电材料

导电材料是用以传递电流而又没有或很小电能损失的材料,主要以电线、电缆为代表。随着电子工业的发展,传送弱电流的导电涂料、胶粘剂和透明导电材料等的应用也十分广泛。导电材料的基本性质以 电阻率 表征。

电线、电缆所用材料主要是铜、铝及其合金。铜作为导电材料大都是 电解铜 ,含铜量为99.97%一99.98%,含有少量金属杂质和氧,其中的杂质会降低 电导率 ,铜中含有氧也使产品性能大大下降。一种 无氧铜 性能稳定、抗腐蚀、延展性好、抗疲劳,可拉成很细的丝,适合于做海底同轴电缆的外部软线,也可用于 太阳能电池 。

铝导线与铜导线相比,电导率低,但其质量轻,相对密度只有铜的1/3,这是铝导线的一大优点。主要用作送电线和配电线。对于160kV以上的高压电线,往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线。

电阻 元件

电力、电子工业方面应用的电阻元件,其 阻抗 性质大都是欧姆型的(纯电阻)。电子方面要求的 电阻值 范围在10Ω—10Ω之间,要求用于制作电阻的材料 电阻率 ρ<10Ω·m,做成的电子元件的电阻值稳定,温度系数小。还有的电阻元件是用于做电热元件或发光元件。

用来做电阻的金属材料有电子线路应用的精密电阻合金,如锰-铜合金,铜- 合金。后者的电阻温度系数最小。这类合金的最终热处理是均匀退火,尤其在做成成品以后,还要进行一次低温长时间退火,以保证电学性能稳定。用来做发热元件的金属材料是镍- 铬合金 和铁-铬-铝合金。

固体 电解质

根据物质在溶解或熔融状态下是否导电,人们将其分为电解质和 非电解质 两大类。如盐(NaCl)就是典型的电解质,糖就是非电解质。但在20世纪60年代初,人们发现还有些物质在低于 熔点 温度下的固体状态,也有高的离子导电特性,这类物质就叫做固体电解质。固体电解质导电的本质在于内部带电氧离子的运动。晶格结构不同,离子排列方式不同,对氧离子的活动能力有很大影响。另外,如果晶格完美无缺,离子运动也较困难,若通过掺杂的方法产生大量缺陷就能提高 电导率 。

固体 电解质 在高技术中有重要作用,如 二氧化锆 陶瓷固体电解质就是燃料电池的心脏;还可以做磁流体发电机的电极材料; 水电解制氢 中的隔膜采用的也是固体电解质,它还可以用来制成氧敏元件,广泛用于汽车尾气检测、金属冶炼过程中氧的在线分析等。

导电高分子材料与电子浆料

高分子材料属于 共价键 结合的大分子链结构,电子被紧紧束缚,属于绝缘材料。随着科学技术的发展,人们采用多种技术使某些高分子材料也具有了导电性。可以将高分子导电材料分为3类:抗静电 表面活性剂 、导电材料(碳、金属粉)与高分子材料复合、结构型导电高分子材料。另外,由于电子技术的特殊要求,电子浆料也成为一种重要的新型材料。