電導體

電導體

電導體是指具備傳導電荷能力的物質,比如銅、鐵、鋁等金屬,氯化銀、硫酸銅等液體。

簡介


電導體是指電阻率很小且易於傳導電流的物質。導體中存在大量可自由移動的帶電粒子稱為載流子。在外電場作用下,載流子作定向運動,形成明顯的電流。
金屬是最常見的一類導體。金屬原子最外層的價電子很容易掙脫原子核的束縛,而成為自由電子,留下的正離子(原子實)形成規則的點陣。金屬中自由電子的濃度很大,所以金屬導體的電導率通常比其他導體材料的大。金屬導體的電阻率一般隨溫度降低而減小。在極低溫度下,某些金屬與合金的電阻率將消失而轉化為“超導體”。

電導微觀機制


電子電導
電子電導的情況主要存在於導體和半導體中,具體對於導體和半導體也還有區別,下面分別介紹。
(1)導體:金屬是導體,具有金屬鍵和規則的晶體結構。根據能帶理論,金屬的價電子處於導帶中,全都是參與導電的載流子。如果是理想晶體,在電場作用下,電子的運動不會遇到阻力,運動速度應該無限大,也就不會有電阻存在,但這與實際情況不符。這是因為實際的晶體一方面存在缺陷,另一方面,只要不是絕對零度,晶格格點上的原子總是在不斷地圍繞平衡位置作振動,這種振動對於電子的定向運動構成了阻力,所以遷移率在不同的溫度下具有不同的有限值,因而電導率也是有限的。
(2)半導體:根據能帶理論,半導體在絕對零度時,因為導帶中沒有電子,在電場作用下不導電。但是當溫度大於0K時,電子受熱激發,從價帶躍遷到導帶,使導帶產生自由運動的電子,而價帶產生自由運動的空穴,它們統稱為本徵載流子,載流子的濃度大小決定了高純半導體的導電性。
離子電導
從理論上說,沒有缺陷的離子晶體是絕緣體,但實際的大多數離子晶體還是有低的電導率。
離子晶體中的電導主要為離子電導。離子電導是離子在電場作用下的定向擴散運動,分為兩類。
(1)本徵電導,也叫固有離子電導,是晶體點陣的離子由於熱振動而離開了晶格,形成熱缺陷。這種熱缺陷無淪是離子還是空位都是帶電的,都可作為離子電導載流子。
(2)雜質電導,由於雜質與基體間的鍵合弱,在較低的溫度下雜質就可以運動,雜質離子載流子的濃度決定於雜質的數量和種類。
離子電導率的大小與溫度、晶體結構、晶體缺陷有關。溫度增加時電導率增大,在較高溫度,固有電導起主導作用;低溫下,雜質電導佔主要地位。它與晶體結構的關係主要從原子間結合力的大小來考慮,原子間結合力大的,電導率低。晶體缺陷,特別是離子性晶格缺陷的濃度大,電導率高。因此離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導的關鍵。

功能材料


導電材料是用以傳遞電流而又沒有或很小電能損失的材料,主要以電線、電纜為代表。隨著電子工業的發展,傳送弱電流的導電塗料、膠粘劑和透明導電材料等的應用也十分廣泛。導電材料的基本性質以電阻率表徵。
電線、電纜所用材料主要是銅、鋁及其合金。銅作為導電材料大都是電解銅,含銅量為99.97%一99.98%,含有少量金屬雜質和氧,其中的雜質會降低電導率,銅中含有氧也使產品性能大大下降。一種無氧銅性能穩定、抗腐蝕、延展性好、抗疲勞,可拉成很細的絲,適合於做海底同軸電纜的外部軟線,也可用於太陽能電池
鋁導線與銅導線相比,電導率低,但其質量輕,相對密度只有銅的1/3,這是鋁導線的一大優點。主要用作送電線和配電線。對於160kV以上的高壓電線,往往用鋼絲增強的鋁電纜或鋁合金線。
電阻元件
電力、電子工業方面應用的電阻元件,其阻抗性質大都是歐姆型的(純電阻)。電子方面要求的電阻值範圍在10Ω—10Ω之間,要求用於製作電阻的材料電阻率ρ<10Ω·m,做成的電子元件的電阻值穩定,溫度係數小。還有的電阻元件是用於做電熱元件或發光元件。
用來做電阻的金屬材料有電子線路應用的精密電阻合金,如錳-銅合金,銅-鎳合金。後者的電阻溫度係數最小。這類合金的最終熱處理是均勻退火,尤其在做成成品以後,還要進行一次低溫長時間退火,以保證電學性能穩定。用來做發熱元件的金屬材料是鎳-鉻合金和鐵-鉻-鋁合金。
固體電解質
根據物質在溶解或熔融狀態下是否導電,人們將其分為電解質和非電解質兩大類。如鹽(NaCl)就是典型的電解質,糖就是非電解質。但在20世紀60年代初,人們發現還有些物質在低於熔點溫度下的固體狀態,也有高的離子導電特性,這類物質就叫做固體電解質。固體電解質導電的本質在於內部帶電氧離子的運動。晶格結構不同,離子排列方式不同,對氧離子的活動能力有很大影響。另外,如果晶格完美無缺,離子運動也較困難,若通過摻雜的方法產生大量缺陷就能提高電導率。
固體電解質在高技術中有重要作用,如氧化鋯陶瓷固體電解質就是燃料電池的心臟;還可以做磁流體發電機的電極材料;電解水制氫中的隔膜採用的也是固體電解質,它還可以用來製成氧敏元件,廣泛用於汽車尾氣檢測、金屬冶鍊過程中氧的在線分析等。
導電高分子材料與電子漿料
高分子材料屬於共價鍵結合的大分子鏈結構,電子被緊緊束縛,屬於絕緣材料。隨著科學技術的發展,人們採用多種技術使某些高分子材料也具有了導電性。可以將高分子導電材料分為3類:抗靜電錶面活性劑、導電材料(碳、金屬粉)與高分子材料複合、結構型導電高分子材料。另外,由於電子技術的特殊要求,電子漿料也成為一種重要的新型材料。