鐵銅為什麼可以導電,石頭和木不能導電,材料導電的機理是什麼?

2020-12-11 失落代號

電是日常生活中必不可少的東西,特別是現代生活,幾乎一切都依賴於電。如果少了電,估計現代人都得繼續過上原始人的生活。

我們知道,電從發電廠出來後,經過升壓、配送、降壓等,最後才輸送到用戶用電設備上。發電廠到最終用戶,都是相隔很遠,有些甚至相隔上千公裡。連接各個站點之間,輸送電能就必須用到電的導體——電纜了。

簡單地說,電纜或者電線都是由銅或者鋁製造的,外面再套一層絕緣皮。銅和鋁就是輸送電的導體,電流是從導體中傳輸的,而外面的絕緣皮則是電流無法流通的,可以隔離電流,防止觸電和漏電。那為什麼絕緣皮不能導電,而金屬能導電呢?導體能導電的機理又是什麼?

電流其實就是一大群電子向某一個方向做定向運動,宏觀上形成電流形態。導體能夠導電,其前提是該材料存在大量可以自由移動的電子。所謂自由電子,就是不受到原子核束縛的電子,不需要按固定軌道繞原子核繞動,就像地球按固定軌道繞太陽公轉一樣。這些可以自由移動的電子,在電場作用下會作定向運動,從而形成電子流,也就是我們所說的電流。

根據電子排布規律,我們知道每層電子最多可以容納數量為2n^2個(n為電子層數),電子層數越多,原子核對電子的引力越小。另外, 最外層電子的數量為2或者為8時,其結構是最穩定的。如果最外層電子數量不晚2或者8,那麼其結構則是不穩定的。與其他物質發生反應時候,就會通過獲得電子或者失去電子的方式,使得最外層電子數變成2個或者8個,從而變成穩定結構。

通過元素周期表可知,金屬元素的最外層電子大多數都是少於4個,它們都很容易失去變成自由電子。而絕緣性材料最外層原子則比較多,容易獲得電子使自己變成穩定結構。比如說我們常見的鋁、銅就是優良的導體材料,常作為導線的導體使用。氟則是優良的絕緣材料,工業上常用它和硫的化合物——六氟化硫作為高壓開關的絕緣材料。

當然,金屬中最外層的電子也不是隨便就變成自由電子的,還需要能量去激發。激發能量的來源很多,包括溫度、光輻射照射、電場等,正常情況下金屬內部都是存在自由電子的。雖然金屬裡面存在的自由電子,由於其方向是無規則的,東南西方上下可能都有,所以對外顯示電流也為零。這也是為什麼摸個金屬不被電的原因。

當然,絕緣不是絕對的,而是相對的。如果施加的電壓足夠高,把絕緣體裡面的電子給予足夠的能量,將其激發到導帶,那麼絕緣體也是可以導電的。絕緣體被擊穿後,電子已經躍遷到空帶,是不能再恢復原來的絕緣能力了。

常見石頭的主要成分為氧化矽,氧化矽是靠共價鍵連接,沒有像離子鍵,也就沒有自由電子。所以一般來說,石頭是不能導電的。但是也要看什麼類型的石頭,或者石頭是否有其他雜質,有些石頭是可能導電的,比如說鐵礦石。

木材是由纖維構成,纖維屬於有機物,有機物和無機物不同,像氧化矽一樣,是由共價鍵構成。有機物共價鍵中每個原子的每個核外電子都必須形成共價鍵 ,沒有可以自由移動電子,所以,幹木頭是不導電的。溼的木棍會導電,是因為水可以導電,所以千萬不能拿溼的東西去觸碰帶電體,否則會導致觸電。

水能導電,是因為水中含有各種金屬離子,比如說鐵離子、鎂離子、鈣離子等,這些都是可以導電的。純水因為沒有含各種金屬離子,所以純水幾乎是不會導電的。之所以說幾乎,是因為水分子可以自己電離出水合氫離子和氫氧根離子而導電,只是這個反應程度很低, 我們近似認為純水不導電。

通過上面介紹,我們已經知道物體能夠導電,關鍵就是需要有可以自由移動的電子。上面情況下可以獲得自由電子,該物質就在這種狀況下具有導電能力。導體不僅僅是固體、液體,而且氣體也導電,按照物質形態進行分類,可以分成三類。

第一類:固體類導體,這裡導體中金屬是最常見的類型。金屬中的原子核和內層電子構成原子實,電子則按照規律一層層排列,而外層的價電子容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子,載流子就是這些自由電子。

第二類:液體類導體,電解質的溶液或電解液的熔融電解質也是導體,其載流子就是正負離子。科學實驗發現,大部分純液體雖然也能離解,但離解程度很低,溶液導電能力很弱,因此不算導體。

第三類:氣體類導體,通常情形下,氣體是不導電的,甚至還是一種良好的絕緣體,比如說我們的空氣開關就是利用空氣來絕緣。氣體能導電,是因為氣體已經被電離,只有電離的氣體才能導電。雖然此時氣體已經處於電離態,但一般還稱為氣體導電。

當然,要說明的一下的事,電的傳播速度是光速,也就是近30萬公裡每秒。但不是說自由電子的移動速度有那麼快,這只是電場的傳播速度,而導體中自由電子定向運動速度其實是很慢的,每秒鐘還不到1毫米。通電之後,閉合的電路之間就會形成電場,電場以光速傳播這場源的變化,所到之處導體內部自由電子馬上做定向運動。

雖然電流是導體內部自由電子定向運動的結果,但它們傳輸不是靠電子一個個流動過去的。而是靠電場傳播,電場所到之處就讓所有導體上的自由電子做定向運動。就好比很多人圍成一個很大的圈,電場就像一個大喇叭,大家聽到聲音就開始往前走,而不是靠一個一個人的往前傳遞著走。

金屬為什麼能導電,石頭和木頭為什麼不能導電,大家都很清楚了吧!

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