電子導電

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更新時間: 2013-09-04

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電子導電 ,導體中主要的載流子為電子的導電過程。可以金屬導體為例給予簡單說明。根據金屬導電的經典理論,金屬導體內有正離子(原子實)組成的點陣和原子的價電子所形成的自由電子,後者可以在導體內自由運動。無外電場時,金屬導體內的自由電子猶如氣體中的分子,作雜亂無章的熱運動,因而在任意方向都不顯示電流。加上外電場后,自由電子就逆著電場方向發生「漂移」,一方面作無規運動,一方面逆著電場方向作定向運動,形成宏觀電流。

電子導電 -電子導電
電子導電 -正文
  在外電場作用下自由電子所獲得的平均速度叫做漂移速度。應該注意,在外電場作用下自由電子的漂移速率比起熱運動的速率要小得多,在室溫下,自由電子熱運動速率的平均值約為105米/秒,而當直徑1毫米銅導線中通過電流1安時,自由電子的漂移速率僅約0.1毫米/秒。當電路接通時,電場是以光速(約為3×108米/秒)傳播的,在整個電路中幾乎同時建立起電場,電路中各點的自由電子幾乎同時開始沿著與電場相反的方向發生漂移運動,因此立即出現了電流。
  在歐姆定律適用的範圍內,漂移速率v與電場強度的大小E成正比

vμE,

上式中μ叫做電子的遷移率。由於電子的漂移運動而形成的電流密度量值為

Jnev,

其中n是自由電子的數密度或濃度(即單位體積內的自由電子數),e是電子電量的絕對值,因此,根據歐姆定律的微分形式JσE,可見金屬導體的電導率

σneμ,

它同自由電子的數密度n和遷移率μ的乘積成正比。至於自由電子在外電場作用下所獲得的定向運動動能,則因自由電子與晶體點陣上的原子實不斷碰撞而傳給原子實,這樣就使晶體中的熱振動加劇,因而產生焦耳熱。
  根據量子理論,自由電子的運動用電子的波函數描述。在理想的晶體內,勢場是嚴格周期性的,它對於電子波是完全「透明」的,因而自由電子的運動不會受到阻礙。但是點陣的熱振動以及晶體中的雜質原子、空位、位錯等點陣缺陷,破壞了勢場的嚴格周期性,從而引起電子波的散射,這是產生電阻的原因。在具有良好導電性的金屬中,導電電子的數密度n等於價電子的數密度,與溫度無關;另一方面,溫度越高,則點陣的熱振動越劇烈,從而引起的電子散射越頻繁,而單位體積內的雜質原子等點陣缺陷數目越多,電子散射也越頻繁。電子散射越頻繁,則遷移率μ越低。於是,金屬的電阻率可以近似地分為兩部分,一部分是晶體中的熱運動引起的,在常溫下它大致與熱力學溫度成正比;另一部分是雜質原子引起的,它與單位體積內的雜質原子數成正比。
  見固體的導電性。
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