導電性:物體傳導電流的能力-中文百科頻道

理論

最早的金屬導電理論是建立在經典理論基礎上的特魯德一洛倫茲理論。假定在金屬中存在有自由電子，它們和理想氣體分子一樣，服從經典的玻耳茲曼統計，在平衡條件下，雖然它們在不停地運動，但平均速度為零。有外電場存在時，電子沿電場力方向得到加速度a，從而産生定向運動，電子通過碰撞與組成晶格的離子實現能量交換，而失去定向運動，因此在一定電場強度下，有一平均漂移速度。根據經典理論，金屬中自由電子對熱容量的貢獻應與晶格振動的熱容量可以相比拟，但是在實驗上并沒有觀察到，這個矛盾在認識到金屬中的電子應遵從量子的費米統計規律以後得到了解決。正是為了解決這個矛盾，結合量子力學的發展，開始系統研究電子在晶體周期場中的運動，從而逐步建立了能帶理論。

按照能帶理論，在嚴格周期性勢場中運動的電子，保持在一個本征态中，電子運動不受到“阻力”，隻是當原子振動、雜質缺陷等原因使晶體勢場偏離周期場，使電子運動發生碰撞散射，從而對晶體中電子的自由程給出了正确的解釋。一般金屬的電阻是由于晶格原子振動對電子的散射引起的。散射概率與原子位移的平方成正比，在足夠高的溫度下與溫度T成正比；在低溫下，隻有那些低頻的晶格振動，也就是長聲學波，才能對散射有貢獻，而且随着溫度降低，有貢獻的晶格振動模式的數量不斷減少，呈現出金屬電阻率在低溫極限将随之變化。

在費米統計和能帶論的基礎上，發展了金屬電導的現代理論。其電導率σ在1護9一‘cm-1以上。根據歐姆定律，金屬中的電流密度j正比于電場強度E。金屬的導電性與溫度有關。通常情況下，金屬電阻率正比于溫度T。在低溫時，許多金屬材料的電阻率随溫度按T規律變化。在極低溫的液氦溫度範圍，含有微量磁性雜質的稀磁合金材料大都在電阻随溫度變化曲線上出現極小值。金屬同時是一個良好的導熱體。

不導電體

金屬和非金屬的區别：從化學性質看金屬是金屬鍵連接，而非金屬是靠離子鍵或共價鍵連接。從物理性質看，金屬一般具有導電性、導熱性、延展性，有金屬光澤，并且大多數是固體隻有汞常溫下是液體。而非金屬大多是絕緣體，隻有少數非金屬是導體(碳)或半導體(矽)。但是由于科學技術的高速發展，它們之間的區别也越來越不明顯。納米技術的發展更使金屬和非金屬之間的區别越來越小。

固體分析

綜述

不同的固體有不同的導電特性,通常用電導率σ來量度它們的導電能力。電導率的定義是對固體施加的電場強度E與固體内電流密度J的比值。實驗研究指出：在不太強的電場下固體的電導通常服從歐姆定律，即電流密度與電場強度成正比,σ是與電場強度無關的。對于立方晶體或非晶态材料來說,電導率σ是各向同性的，是一個标量。

在一般情況下,電導率可能是各向異性的,應該用一個二階張量表示。電導率的單位是S/m。在許多情況下，電導率的倒數是一個使用起來更方便的量，稱之為電阻率，用ρ表示，單位是Ω·m。

根據電導率的數值及其與溫度的依賴關系，大緻把固體分為三類：金屬、半導體和絕緣體，下面依次作簡要的說明。

金屬

金屬具有良好的導電性,其電導率在10s/cm以上。金屬中的電流密度J可寫成電子電荷e、電子的平均漂移速度尌和電子濃度n的乘積，即可定義電子平均速度與電場強度E的比值為電子遷移率。這樣一來，電導率σ可表為σ=neμ。在歐姆定律成立的條件下，遷移率μ與電場強度無關，決定于材料的性質。最早提出的金屬導電理論是P.K.L.德魯德的經典理論。假定金屬中價電子在電場中以同樣方式運動，通過碰撞與組成點陣的離子實交換能量；在兩次碰撞之間，電子被電場加速。電子在碰撞與加速這兩種作用之下，具有一定的平均速度，即一定的遷移率，從而能解釋歐姆定律。類似的考慮應用到熱導理論，可以解釋維德曼－夫蘭茲定律，但德魯德的理論不能解釋金屬電導率與溫度的依賴關系，也不能解釋電子具有幾百個原子間距的長自由程的實驗事實。這些矛盾直到人們用量子理論系統地研究了電子在晶體中運動的能帶理論才得到了解決（見固體的能帶）。

能帶論指出，導體、半導體、絕緣體導電性是由于它們的能帶結構不同造成的。金屬導體具有未被電子填滿的能帶，這種帶中的電子能起導電作用，稱為導帶。能帶理論還指出，在嚴格的周期性勢場中，電子可保持處于某個本征态，且不随時間改變，也就是說，在嚴格的周期性勢場中電子具有無限長的自由程，不會受到散射。因此，金屬中的電阻并不是由于電子與周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置附近的熱振動（點陣振動）。使嚴格的周期性勢場遭到破壞，引起散射的結果。考慮了電子與點陣振動的相互作用，即電子－聲子相互作用之後，理論才很好地解釋了電導率與溫度的關系，以及電子具有幾百個原子間距的長自由程的實驗事實。經驗表明，金屬的電阻率與溫度的關系大緻上可用一個普适函數來表示,式中ΘR是一個特征函數，接近于德拜溫度（見德拜模型），T是絕對溫度。函數f在高溫時趨于1，低溫下正比于(T/ΘR)。即在高溫時，電阻率正比于T，低溫下正比于T。

不僅電子與點陣振動相互作用是固體電阻的起因，點陣的不完整性，如缺陷、雜質的存在也破壞了嚴格的周期性勢場，也是電阻的起因。這種原因引起的電阻一般與溫度無關，在低溫下這部分電阻保持不變，不會消失，稱為剩餘電阻。如鈉在低溫時由于點陣缺陷散射機制引起的剩餘電阻。有些金屬和合金，在極低溫度下電阻率會突然降到零，在此轉變溫度下的物質叫做超導體(見超導電性)。

半導體

半導體的電導介于金屬和絕緣體之間。對于本征半導體，在絕對零度時，它隻有完全被電子填滿的價帶和全空的導帶，二者之間存在着一個帶隙，或稱禁帶(見固體的能帶)。當溫度升高時，有少量電子從價帶激發到導帶，産生能導電的電子和空穴，載流子濃度與溫度有關，其電導率随溫度的變化可近似表示為σ∝e，A是常數，T是絕對溫度。對于摻雜半導體的電導，以及半導體的導電中其他問題，見半導體物理學。

絕緣體

從能帶理論的觀點來看，絕緣體與半導體的區别僅在于絕緣體的禁帶寬度比半導體大，因此絕緣體中載流子濃度非常小，決定了絕緣體的電導率很小。

離子晶體和非導态固體

對某些離子晶體，還存在另一種導電機制──離子導電。它是靠外電場作用下正負離子的移動引起電流的。通常，離子電導率很小。

上述的固體電導都是指晶态固體，對于非晶态固體的電導還有自己的特點，詳見非晶态材料、非晶态半導體、非晶态電介質。