物質(zhì)的導(dǎo)電性與哪些因素相關(guān)

劉津

摘 要：物質(zhì)的導(dǎo)電性是物理電學(xué)的基礎(chǔ)，同時(shí)也和一些自然知識(shí)、化學(xué)知識(shí)息息相關(guān)。對(duì)物質(zhì)的導(dǎo)電性的探索與研究可有效激發(fā)學(xué)生對(duì)理化的學(xué)習(xí)興趣，提高安全用電的科學(xué)性和自覺(jué)性。如何加深學(xué)生對(duì)物質(zhì)導(dǎo)電性的認(rèn)識(shí)，對(duì)其進(jìn)一步掌握和應(yīng)用中學(xué)理化知識(shí)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)的導(dǎo)電性；導(dǎo)體；絕緣體；半導(dǎo)體

一、引言

眾所周知，理化知識(shí)來(lái)源于生活，與生活緊密相連，最終為生活服務(wù)。不同的物質(zhì)，其導(dǎo)電性能差異較大。導(dǎo)體電阻率很小，容易導(dǎo)電；絕緣體電阻率很大，不容易導(dǎo)電；還有一些材料的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體。導(dǎo)體和絕緣體并沒(méi)有絕對(duì)的界線，在一定條件下也是可以相互進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。那么，物質(zhì)的導(dǎo)電性能究竟與哪些因素有關(guān)呢？

二、物質(zhì)的導(dǎo)電性與本身材質(zhì)有關(guān)

物質(zhì)的導(dǎo)電性主要與本身材質(zhì)有關(guān)。按照物質(zhì)的導(dǎo)電性能優(yōu)劣一般把物質(zhì)分為三類：一是導(dǎo)體，如金屬、石墨、酸堿鹽溶液、人體、大地等；二是絕緣體，如橡膠、塑料、陶瓷、玻璃等；三是半導(dǎo)體，如硅（Si）、鍺（Ge）等。

（1）導(dǎo)體是指電阻率很小且易于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)。導(dǎo)體中存在大量可自由移動(dòng)的帶電粒子，這些帶電粒子被稱為載流子。在外電場(chǎng)作用下，載流子作定向運(yùn)動(dòng)，形成明顯的電流。①金屬是最常見的導(dǎo)體之一。金屬原子最外層的價(jià)電子很容易掙脫原子核的束縛，而成為自由電子。金屬中自由電子的濃度很大，所以金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率通常比其他導(dǎo)體材料大。因此，金屬導(dǎo)體導(dǎo)電靠的是導(dǎo)體本身自由移動(dòng)的電子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。金屬導(dǎo)電過(guò)程中一般不引起化學(xué)反應(yīng)，也沒(méi)有顯著的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。金屬導(dǎo)體導(dǎo)電性能好，可做導(dǎo)線。②石墨是典型的非金屬導(dǎo)體。石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。石墨能夠?qū)щ娛且驗(yàn)槭忻總€(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵，每個(gè)碳原子仍然保留1個(gè)自由電子來(lái)傳輸電荷。而金剛石與石墨互為同素異形體，為何金剛石不導(dǎo)電呢？因?yàn)榻饎偸刑荚拥乃袃r(jià)電子都形成共價(jià)鍵而沒(méi)有自由電子，所以沒(méi)有導(dǎo)電性。因此，非金屬導(dǎo)體導(dǎo)電靠的也是導(dǎo)體本身自由移動(dòng)的電子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。③電解質(zhì)的溶液即電解液的熔融電解質(zhì)也是導(dǎo)體，其載流子是正負(fù)離子。比如，純凈水是不導(dǎo)電的，而自然界中的水因溶解有多種離子所以導(dǎo)電。比如人體是導(dǎo)體，因?yàn)槿梭w組織中含有大量水分、礦物質(zhì)和電解質(zhì)，如體液中的氯化鈉、血液中的鐵離子等，所以人體會(huì)導(dǎo)電。醫(yī)生做人的心電圖、腦電圖就是依據(jù)此原理來(lái)做的。大地同樣是導(dǎo)體，也是因?yàn)榈貧け韺佑写罅克拇嬖冢芏嗫扇苄喳}溶解在水里，當(dāng)然就形成導(dǎo)體了。因此，電解液導(dǎo)電是通過(guò)電解出來(lái)的離子定向移動(dòng)產(chǎn)生電流。電解液在通電過(guò)程中伴隨有化學(xué)變化，且有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，它常應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)。

（2）不善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)稱為絕緣體。絕緣體又稱為電介質(zhì)，它們的電阻率極高，比金屬的電阻率大1014倍以上。如橡膠是絕緣體，一般不導(dǎo)電，可做導(dǎo)線包皮。

（3）半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性可受控制，是范圍在絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。如鍺、硅等，其電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間，且隨溫度的升高而迅速減小。這類材料中存在一定量的自由電子和空穴，后者可看作帶有正電荷的載流子。半導(dǎo)體在無(wú)線電、收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。用半導(dǎo)體材料制成二極管具有單向?qū)щ娦?，可用于整流，也可判斷電流方向?/p>

另外，很多新型材料的導(dǎo)電性也值得去探究，如鋼纖維混凝土。將一定量的鋼纖維添加到混凝土中，能夠使混凝土從高阻抗水泥復(fù)合材料變成導(dǎo)電性良好且力學(xué)性能優(yōu)越的水泥復(fù)合材料，即鋼纖維導(dǎo)電混凝土。若在高寒地區(qū)鋪設(shè)電熱橋面板，可用于融雪除冰。

三、物質(zhì)的導(dǎo)電性與電壓高低有關(guān)

許多物質(zhì)的導(dǎo)電性均與電壓高低有關(guān)。主要原因是由于其電阻率隨電壓的增加而逐漸減小，這一現(xiàn)象符合擊穿電壓的原理。即電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿，所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。這也說(shuō)明導(dǎo)體和絕緣體的界限并不是一成不變的，它們?cè)谝欢l件下也可以相互轉(zhuǎn)換。比如，電線包皮是絕緣體，在增加電壓或超負(fù)荷的情況下，會(huì)被“擊穿”，而轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。通常情形下，氣體也是良好的絕緣體。但在外加電壓的情況下，氣體被電離而成為導(dǎo)體，且常伴有發(fā)聲、發(fā)光等物理過(guò)程。日光燈和霓虹燈就是利用電離氣體導(dǎo)電原理制成的。又如我們常見的雷電現(xiàn)象，也是因?yàn)閹щ娫茍F(tuán)之間或帶電云團(tuán)與大地之間的電壓不斷升高擊穿空中氣體間隙而產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。

四、物質(zhì)的導(dǎo)電性與環(huán)境條件有關(guān)

物質(zhì)的導(dǎo)電性與環(huán)境條件密切相關(guān)。一是環(huán)境溫度影響。比如，某些金屬與合金導(dǎo)體對(duì)溫度比較敏感，電阻率隨溫度降低而減小。甚至在極低溫度下，某些金屬與合金的電阻率將消失而轉(zhuǎn)化為“超導(dǎo)體”，這個(gè)溫度就叫該超導(dǎo)體的臨界溫度?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)28種元素及幾千種合金和化合物可以成為“超導(dǎo)體”。 研究超導(dǎo)就是看到了它在輸電節(jié)能、交通運(yùn)輸、微電子芯片、通信工程、生物工程等方面革命性的應(yīng)用前景。由于低溫超導(dǎo)體的臨界溫度太低，比如，汞的臨界溫度為-268.4℃，很難實(shí)際應(yīng)用。所以，對(duì)提升超導(dǎo)體臨界溫度的研究一直都比較熱門，至今已有多人因此獲諾貝爾獎(jiǎng)，最高臨界溫度已提升到-70℃，但距廣泛運(yùn)用前景仍有較長(zhǎng)的探索之路要走。二是環(huán)境濕度影響。干燥的木材本身是良好的絕緣體，一旦受潮就變?yōu)閷?dǎo)體了。瓷磚也是絕緣體，但安裝在地面或墻面上時(shí)就不能看著是絕緣體了。原因是瓷磚鋪在地面上難免受潮氣的作用，瓷磚的絕緣性能是要大打折扣的，尤其是淋浴間的瓷磚幾乎就不絕緣了，所以漏電必觸電。三是其他條件影響。氯化鈉溶液是導(dǎo)體，當(dāng)其中水分逐漸被蒸發(fā)掉變成氯化鈉晶體時(shí)，其導(dǎo)電性能就會(huì)消失。

五、結(jié)語(yǔ)

知識(shí)教會(huì)我們生活，生活實(shí)踐又對(duì)知識(shí)進(jìn)行提升。物質(zhì)的導(dǎo)電性的探索與研究對(duì)生活中的安全用電非常重要。比如，用電線路及電氣設(shè)備絕緣性必須良好，燈頭、插座、開關(guān)等的帶電部分絕對(duì)不能外露；不超負(fù)荷用電；不要用潮濕抹布擦拭帶電的家用電器；特別是切忌電器失火時(shí)不要用水來(lái)滅。很多人認(rèn)為水是火的天敵，只要看到火就用水滅，尤其是在廚房電器失火時(shí)，情急之下就用水滅火，不僅自身有觸電的危險(xiǎn)，而且火越滅越大，損失慘重。電器失火時(shí)一定要冷靜，先斷電源，否則可能滅火時(shí)觸電。

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