电导体是电荷能够在其中较为容易地移动的材料,因此可在外加电场作用下形成电流。金属是常见的例子,但含有可移动离子的溶液也能导电。导体与电绝缘体的区别在于,前者的电导率相对较高,不过这种分类取决于材料所处的状态及其用途。“导体”一词也可指用于传导电流的部件,例如导线。(openstax.org)
载流子与微观导电机制
在金属中,可移动的载流子是不受单个原子束缚的电子。没有外加电场时,电子的运动不会产生净电流。外加电场使电子的运动叠加上微小的平均漂移。由于电子带负电,其漂移方向与约定的电流方向相反;电流方向规定为正电荷移动的方向。(openstax.org)
对于只有一种载流子的简单导体,电流大小为
[ I=n|q|Av_d, ]
其中,(n) 为单位体积内可移动载流子的数量,(q) 为载流子的电荷量,(A) 为横截面积,(v_d) 为载流子的平均漂移速率。漂移不同于电扰动在电路中的传播,后者的速度要快得多:电子不必先从电源移动到用电器,用电器就能作出响应。(openstax.org)
晶体固体的电子性质可以通过量子力学和电子能带结构得到更全面的解释。金属导体具有部分占据的电子能带,其中存在能量相近的未占据态,施加电场时电子可以转移到这些态中。在绝缘体中,已占据能带与未占据能带之间有较大的带隙。半导体的带隙较小,其载流子数量可随温度或杂质含量发生显著变化。这些区别涉及可供电子占据的状态,而不只是材料中电子的总数。(openstax.org)
电导率、电阻率与电阻
电导率用 (\sigma) 表示,用于衡量材料对外加电场的响应。对于处于线性响应范围内的各向同性材料,
[ \mathbf{J}=\sigma\mathbf{E}, ]
其中,(\mathbf{J}) 为电流密度。这是欧姆定律的局部形式。电阻率 (\rho) 是电导率的倒数:
[ \rho=\frac{1}{\sigma}. ]
在国际单位制中,电导率的单位为西门子每米,电阻率的单位为欧姆米。(openstax.org)
电阻率描述材料的性质,而电阻描述某个具体物体的性质。对于长度为 (L)、横截面积为 (A) 的均匀导线,
[ R=\rho\frac{L}{A}. ]
因此,导线越长,电阻越大;对于相同材料的导线,导线越粗,电阻越小。在 20 °C 时,铜和银的典型电阻率分别约为 (1.68\times10^{-8}\ \Omega\cdot\mathrm{m}) 和 (1.59\times10^{-8}\ \Omega\cdot\mathrm{m});材料纯度会影响测量值。(openstax.org)
具有电阻的导体会将电能量转化为热,这一过程称为焦耳热效应。对于通过电流 (I) 的欧姆元件,其耗散功率为 (P=I^2R)。这种耗散在电加热器中具有实用价值,但在输电线路中则意味着能量损失。(openstax.org)
材料及其温度依赖性
铜广泛用于电气布线,因为它在室温下电阻率较低,同时比银更经济实用。银的导电性能略好,但其成本限制了它作为通用导线材料的使用。普通金属导体仍具有非零电阻,这与处于超导态的材料不同。(openstax.org)
金属的电阻率通常随温度升高而增大。在有限的温度区间内,其变化往往可用线性温度系数近似描述。这种关系并非普遍适用:温度升高会增加半导体中可移动载流子的数量,因此半导体的电阻率可能随温度升高而降低。所以,电导率的数值必须注明测量条件,不能视为恒定不变的材料常数。(openstax.org)
导电不一定依赖电子在金属中移动。在电解质溶液中,电荷由可移动的离子携带。在外加电场作用下,正离子与负离子沿相反方向移动,但两者都对约定方向的电流作出贡献。纯水中的离子很少,因此导电性极差;溶入能够产生离子的物质,可以大幅提高其电导率。仅仅使物质溶解并不足以提高离子导电能力:溶解的中性分子本身并不提供离子载流子。(openstax.org)
静电行为
处于静电学平衡状态的导体,其导电材料内部不存在宏观电场。否则,其中可移动的电荷就会继续重新分布。任何多余电荷都分布在导体表面,紧邻光滑导体表面外侧的电场垂直于该表面。电荷往往更集中于曲率较大的尖锐部位附近。(openstax.org)
处于平衡状态的导体各处还具有相同的电势。这些性质是静电屏蔽的基础:封闭的导电外壳可以使其内部的空腔不受外部静电场影响。这并不意味着所有导体的内部电场始终为零。通过稳恒电流的电阻导线需要内部电场来维持电荷漂移,因此并不处于静电平衡状态。(openstax.org)
交流电与超导体
在交流电情况下,电流分布可能变得不均匀。集肤效应使电流集中在导体表面附近,减小实际载流的有效面积,从而增大电阻。对于良导体,特征穿透深度取决于频率、电导率和磁导率,通常随频率升高而减小。(live.ocw.mit.edu)
超导现象是一种独特的状态,其特征是电阻为零,并在迈斯纳态下排斥磁场。超导现象只在一定的温度、电流和磁场范围内出现,具体限值取决于材料。因此,超导体并不只是电阻率极低的普通导体;其磁学行为使它有别于理想化的完全导电材料模型。(openstax.org)