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电传导(electrical conduction)是指介质内,载电荷的粒子的运动。称这些粒子为电荷载子。它们的运动形成了电流。这运动可能是因为感受到电场的作用而产生的,或是因为载子分佈的不均匀引发的扩散机制的结果。对于不同的物质,电荷传输的物理参数也不同。根据物质电传导性的不同可以分为导体绝缘体。常见的导体有金属电解质溶液或液体。常见的绝缘体有干燥的木材塑料橡胶

欧姆定律明确地描述了金属电阻器的电传导。欧姆定律阐明,电流与外加的电场成正比,在一个物质内,由于外加的电场<math>\mathbf{E}\,\!</math>而产生的电流密度<math>\mathbf{J}\,\!</math>,可以用方程式表达为

<math>\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E}\,\!</math>;

其中,<math>\sigma\,\!</math>是物质的电导率

或者,

<math>\mathbf{E} =\rho \mathbf{J}\,\!</math>;

其中,<math>\rho\,\!</math>是物质的电阻,是<math>\sigma\,\!</math>的倒数

半导体元件里,电传导是由电场作用和扩散这两种物理机制共同引发的。因此,电流密度可以表达为

<math>\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E}+D\boldsymbol{\nabla}(qn)\,\!</math>;

其中,<math>D\,\!</math>是扩散常数,<math>q\,\!</math>是电荷量,<math>n\,\!</math>是电子的体积密度。

由于电子的电荷量是负值,载子是朝著电子密度递减的方向移动。因此,对于电子,假若电子密度的梯度是正值,则电流是负值;假若载子是电洞,则必须将电子密度<math>n\,\!</math>改换为电洞密度<math>p\,\!</math>的负值:

<math>\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E} - D\boldsymbol{\nabla}(qp)\,\!</math>;

对于线性异向性物质,<math>\sigma\,\!</math>、<math>\rho\,\!</math>、<math>D\,\!</math>,都是张量

经典概念

设想外电场<math>\mathbf{E}\,\!</math>作用于某物体。在这物体内,电荷量为<math>q\,\!</math>的自由电子,感受到电场力<math>\mathbf{F}=q\mathbf{E}\,\!</math>,会呈现加速运动

没有任何障碍阻止这运动,自由电子的速度会变的越来越大。然而,每经过一段时间<math>t\,\!</math>,自由电子会碰撞到其它原子的阻碍,使其速度回归为热速度thermal velocity)。这样,自由电子的运动会呈现不断的加速与碰撞。每一次碰撞,累积的动量<math>\mathbf{P}\,\!</math>平均为

<math>\langle\mathbf{p}\rangle = q \mathbf{E} t</math>;

其中,角括弧代表平均程序。

所以,电流密度<math>\mathbf{J}\,\!</math>为

<math>\mathbf{J}=nq\langle\mathbf{v}\rangle=nq\langle\mathbf{p}\rangle/m=\left( \frac{n q^2 t}{m} \right) \mathbf{E}\,\!</math>;

其中,<math>n\,\!</math>是电子密度,<math>\mathbf{v}\,\!</math>是自由电子的平均速度,<math>m\,\!</math>是电子质量。

这经典模型是由保罗·德鲁德于1900年提出,称为德鲁德模型。从这模型得到了一个重要结果:电流密度与电场成正比,比例是物质的电导率<math>\sigma\,\!</math>[1] [2]

电解质

电解液里的电流是载有电荷的离子流。例如,施加电场于Na+Cl的溶液。那麽,钠离子会不断地移向负极;而氯离子会往正极移动。在正常状况下,氧化还原反应会发生于电极表面,将氯离子的电子释放出来,经过导线传输到另外一端,让电子被钠离子吸收。

水-冰混和物和某些称为质子导体(proton conductor)的固态电解质,含有可移动的正价氢离子。对于这些物质,电流是由移动的质子形成的。

在某些电解质混合物里,一群鲜豔著色的离子形成了移动的电荷。这些离子的缓慢移动所形成的电流,可以用人眼直接地观察到。

气体和电浆

对于空气和一些普通气体,假设施加的外低于击穿电场阈值,电传导的主要电荷载子是由放射性气体紫外光宇宙射线造成的相当少数量的可移动离子。由于电导率非常低,气体是电介质绝缘质。但是,一当施加的外电场超过击穿值时,由于电场力的作用,自由电子呈加速运动,动能变得相当大,足够以碰撞机制来製造更多的自由电子,或用雪崩击穿的机制将中性气态原子或中子电离。这程序形成了电浆,含有很多的可移动的电子和正离子,使电浆的物理行为变得就像一个导体。这程序的传导路径上,会有光波发射出来,像电光(spark)、电弧闪电等等。

电浆态是一种物质态。当气体的分子或原子的一些电子被电离时,称此状态的物质为电浆。非常高的温度,或强大的电场或磁场的作用,会产生电浆。由于电子的质量很小,当施加电场时,电浆的电子会比很重的正离子更快加速。大部分的电流是由电子形组成的。

真空

由于在理想真空(perfect vacuum)内,没有任何带电粒子,这种真空就好像理想绝缘体(应该算是目前所知最棒的绝缘体了)但是,通过场致电子发射(field electron emission)或热离子发射(thermionic emission)的机制,金属的电极表面会发射自由电子离子于真空,因而使得真空内的一部分区域变得具有传导性。当热能超过金属的功函数时,就会产生热离子发射,金属会发射出热离子。当金属表面的电场有足够的强度来引发量子穿隧效应时,就会出现场致电子发射,促使金属原子射出电子于真空。

参阅

参考文献

  1. Neil W. Ashcroft; N. David Mermin. Solid State Physics. Saunders College. 1976: 6–7. ISBN 0-03-083993-9. 
  2. Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. 1998: pp. 289. ISBN 0-13-805326-X.