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导电原理?

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2019-03-23

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在外电压加压的情况下,导体中的自由电子有规则地朝一个方向运动就形成了电流,有了电流自然也就成了导体。

2019-03-23

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    “金属是靠其内部的自由电子传热、导电”。这一理论已流传了一百年,同时,也留下了一百年的疑虑:原子核对核外电子有着巨大的吸引力,自由电子的自由是从何而来?为什么有二个自由电子的铁比一价的铜导电性能还要差些?为什么三价的铝又比二价的铁导电性能又要强些?面对(没有自由电子的)液体的导电、半导体导电,此说已经显得无能为力;面对物体的超导事实,此说更是无计可施。
    于是有人就液体导电,增设了离子导电理论;就超导事实,增设了电子库柏对理论,这样一来就使得导电的理论五花八门、更趋复杂、丧失系统。更令人质疑的是 100年来还没有被其它途径证实自由电子的存在和作用。
     自由电子理论是在100年前为了解释金属传热、导电性能时而提出的。  在本文《自由电子置疑》中,笔者已经用一个简单的实验否定了电子传热--否定了自由电子传热。金属的传热性能之所以很好,本文第五章已经叙述,金属的较好的传热性能是与其固体的构成相关--是由其独立的结构元,和结构元间电磁力相互影响所导致,而与自由电子完全无关。
  金属是靠自由电子传热的理论是一个即将被人们删除的错误。     自由电子导电理论认为,金属是靠其内部的自由电子导电。这一理论尽管已流传了近百年,同时,也留下了疑虑重重:原子核带正电,电子带负电,原子核对核外电子有着巨大的吸引力--库仑力,自由电子的自由是从何而来?为什么有二个自由电子的铁比一价的铜导电性能还要差些?为什么三价的铝又比二价的铁导电性能又要强些?面对(没有自由电子的)液体的导电、半导体导电,此说已显得无能为力,面对物体的超导事实,此说更是无计可施。
    于是有人就液体导电,增设了离子导电理论;就超导事实,增设了电子隧道理论,这样一来就使得导电的理论五花八门、更趋复杂、丧失系统。更令人质疑的是100年来还没有被其它途径证实自由电子的存在和作用。
     在第五、六章,读者已经了解到物体的构成:所有元素,不管是金属还是非金属,其原子的电子数是与核内的质子数一一对应的,是不可改变的。  物质内不管其原子的内部或外层有几个电子,其电子有的是在内层轨道、有的是在价和轨道,每个电子都是在一定轨道上运转,都从属于一个或二个核心,没有电子是所谓自由的,当然就不存在自由电子导电。
  那么,导电是怎么样形成的呢?导体为什么能够导电?半导体、液体为什么能导电?物质是靠什么导通电流呢?   导电原理 电流是电子的定向流动,这就象水流是水的定向流动一样。  这叫人联想到一个常用的中国词"流通",通则流,不通则不流。
  水流不是因为该物体内有水(桶里的水,池塘里的水就不能形成水流)。除了压力差之外还必须得"通"--必须得有让水定向通过的空间(如渠道、管道等);电流不是因为该物体内的电子有自由,除了电压差之外还必须得"通"--必须得有让电子定向通过的空间。
       那么,是什么使得物体能够导电?--是该物体内原子的最外层,即价和电子层,因价和电子数量较少并且运转不够饱满(在平面运转,没能形成饱满的球状),在价和电子运转的同时,存在着能让外电子窜入的间隙和时机;存在着能让电子在其间穿越运动的空位,我们把原子外层所呈现的这种空位叫做电子空位。
    电子空位是电子流动的通路,有了这样的通路,外来的电子才能在其间运动,形成电子的流动--电流。   导电原理是: 某物质的原子的价电子较少,外电子层不饱满,存在着电子空位,在电压的作用下外来的电子进入电子空位,多出的电子在电子空位间换位移动,形成电流。
     有了电子空位,才能形成通路,外来电子才能进入,才能在物质内定向运动形成电流。  导体、半导体、液体导电都是如此,超导原理也是如此。   电子空位是由价和电子的数量、速率及线路所决定。
  金属原子外层电子较少,组合成结构元之后,每个原子的外层仅有一、二个价和运转围绕:铜、银等仅有一个价和运转围绕;铁、铬等原子则有二个价和运转围绕,原子的外层仍存在较多的电子空位,能容外来电子进入、换位,因而易于导电。
     在绝缘体内,因原子的价电子多,多个价和运转包围着一个原子,使原子的外电子层趋近饱和,没有电子空位(或很少),不能容外界电子进入,因而不能导电。 气态物质则是因为物质的价和电子速率过高,而且进行立体运转,一般不会产生电子空位,外电子不易进入。
  加之分子间的斥力较大,分子间距离太远,因而也不导电。  只有极高的电压才能在其间冲开一条血路--闪电。   液体的导电 金属熔化成液态,铁熔化成铁水、铜熔化成铜水,按理说其自由电子会更加自由、导电能力应随之增加,然而事实恰恰相反。
  铜、锡熔化成液态,其导电能力比固态时要低得多。汞在低温条件下凝结成固体,其导电性能却大增。  究其原因是,液态物质的价和电子速率较高,而且脱离了平面轨道,进行半立体运转,产生电子空位的机率较小,外电子不易进入,也不易于在其间换位流动。
  因而导电能力一般比固态时差。 有些液体能导电,有些则不能。一般盐类物质的溶液导电能力较好,能导电的不是该液体内有"离子",而是与固体物质的导电一样--是其间存在着电子空位。   如食盐(NaCl)其钠原子外层只有一个价电子,存在着较大的电子空位,但在食盐晶体中钠原子处氯原子的包围之中,氯原子有7个价电子,外电子层饱满,外来电子难以进入,也难换位,故其电阻很大。
     食盐溶入水中,其晶体结构受到溶液的冲击损毁而解体,其结构元与水溶液均匀混合成链成团,钠原子不再受包围,外来电子能够进入其电子空位,通过钠原子的接力传递,外电子在其间换位移动形成电流,于是就形成了溶液的导电。
       那么水为什么不能导电呢?这是因为水的氢氧结构元的价和电子速率很高,从电线中来的外电子速率相对较低,难以钻入其间(这就象行人过不了车速很高的马路一样),故而纯水不能导电。
     超导   1911年荷兰著名物理学家卡梅林·昂内斯首次将氮液化,获得了4。  6K(-268。4℃)的低温,一个奇妙的现象发生了!当昂内斯将金属汞置于低温液氮中,发现汞的电阻急剧下降,直至消失,电阻为零!这在当时简直是不可思议。
   我们知道,自从人类发明了电,伴生的电阻就损耗了大量的电能,科学家们就一直在努力找寻电阻最低的材料,幻想着能够出现电阻为零的导电物质,这一天,幻想成了事实,奇迹真的出现了,于是科学界为之激动,开始了向低温世界的大举进军。
    在各国科学家的努力之下,现已发现了几百种金属、合金、化合物在低温条件下出现这种电阻几乎为零的导电特性,人们称这种现象为超导现象。   超导现象总是在温度很低的条件下发生,人们把超导体发生超导现象时的温度称作临界温度。
  人为的制作低温是很麻烦的,显然,临界温度越高超导材料的应用就越方便,越有应用价值,于是世界各国的科研大军又致力于研制高临界温度的超导材料。  目前我国的实用超导材料的临界温度已达到-190℃,超导材料进入实用阶段已为期不远了。
     为什么这些金属或化合物在低温条件下会出现非凡的超导性能,各国的科学家都想揭开这个电阻为零的超导之谜,各种学说应运而生:有的说在产生了电子隧道;有的说是在低温条件下原子被冻僵了……。  但是隧道怎样产生,原子如何冻僵?难有交代。
     本文所阐述的是核外电子的运转线路、速率,以及由此引起的物质的各种特性及其变化,超导的发生就是明显的特性变化。在前文"火红的说明"中就论述了核外电子的运转速率是与外界温度密切相关的,在此,物质的超导特性又与温度密切相关,再一次为此论点提供了例证。
       在很低的温度下,物体的所有的价电子参入价和运转,运转线路是在固定的平面上,运转速率很低。达到临界温度,核心对外电子的管束不力,乃至原子的内层电子的运转也由空间进入到立交或平面运转,形成较大的空位。
  通电后,外电子进入,核心把外来的电子流当成自己所需求的电子一部分,用核心的库仑力(原子核吸引核外电子使电子绕核运转的力)去顺势输运它,让其在自己身边流过,于是外来电子不仅不受到阻力,而且还获得了一份来自核心的输运力。
    在顺序排列的原子核库仑力的接力输送下,电子直截在其间畅通无阻,形成了电阻为零的超导现象。 由于超导时外来电子是核心边轻轻滑过,而且还得到了核心的输运,所以外来电子必须整齐有序、顺畅守纪。
  电子的流量(电流)一不能过大、二不能冲击、三不能紊乱。   因材料在超导时必须是在低温条件下,核心对外电子层的控制能力很弱,价和电子速率不高,物体的价和力、电磁力都很小。  故而推断材料此时脆性大、强度低。
     4价元素导电问题  写到这里有人会问:硅、锗、金刚石等物质的原子外层仅4个价电子,还有4个空位,那它们为什么不导电?石墨也是碳原子构成,它为什么又导电呢?这里需要说明的是:导电是物质的整体性能,不应以单个或几个原子的状态来认识整体;电子空位是电子在价和运动时出现的暂时效应,不能以静止的眼光来看待空位,亦不能以静止的眼光来看待物质的导电。
       在硅、锗晶体中每个原子与相邻的4个原子共用外层电子组成4个结构元,四周的价和电子以较均匀的速率绕过核心而进进出出,从整体上看,其核外电子层是均匀饱满的,外来电子不易进入,所以它不导电(电阻很大)。
     石墨是由碳原子构成,其外层也有4个价电子,但是其晶体的构成是片状石墨晶格结构,每个原子与周围的3 个原子组成3 个结构元,进而结合成平面的蜂窝状结构。  而另一价电子则在两平面间作价和运转,其原子的层间间距是平面间距的二倍多,层间价和电子在途时间较长,层间电子在途时,就形成了暂时的电子空位,这就使得核外电子层时挤时松,松时外来电子乘虚而入,并在其间换位移动,于是石墨就成了良好的导体。
   金刚石也是由碳原子构成,其外层的4 个价电子构成紧凑稳定的金刚石结构,价电子整齐有序的同步运行,不能形成电子空位,故而一般不导电。     半导体导电原理 半导体一般是由4 价的硅或锗为主体材料,它们的晶体结构也和金刚石一样,每个原子由4 个价和运转在空间等距、有序环绕,构成金刚石结构,很纯的单晶硅基本不导电。
   N型半导体  在纯硅晶体中加了少量的磷元素后,就形成了N型半导体。5价的磷原子镶嵌在硅晶体中,本来硅晶体的每个原子通过4个结构元相互联接,价和速率相同,而磷的5个价电子参入硅中价和运转,尚有一个电子无价和轨道,它杂混在其它价和轨道中,扰乱了原均匀的速率,使得整个晶体中的价和电子出现了拥挤和等待的紊乱现象,有许多瞬时价和电子因途中紊乱而没有到位,于是晶体中出现了临时性的电子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率),外来电子可乘虚而入,晶体的导电能力增加,形成的N型半导体。
       P型半导体  在硅晶体中加入少量的硼元素后,硼在价和结构中顶替了一个硅原子,因硼外层只有3个价电子,使得与硼相连的4个结构元中有一个是单电子串位,与这个结构元相连的6个结构元外端又连着18个结构元,这样电子空位呈2×3 扩展,所以该晶体的导电能力也呈几何级数增加。
    电子空位扩展之后空位出现的时间越来越短,也就不成其为空位了。   以上论述说明,不管是N型还是P型半导体,其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布引起价和电子紊乱运行所致,所出现的电子空位是瞬时的、随机的。
  这也导致了半导体的"测不准"及温升,热敏等诸多物理性质。     晶体管的PN结的实质是疏通或堵塞电子空位。   二极管 把N 型和P 型半导体材料紧密结合起来,两端连上导线,就形成了半导体二极管。
  二极管最关键的部位在两种材料的结合处,人们称之为P N 结。 由于N 型半导体是5 价的磷镶嵌在硅晶体中,磷在以4 价为主体的硅结构元的连接中,有多出的电子。  而在P 型半导体中是3 价的硼在以硅为主体的结构元连接中,顶替了一个硅原子的位置,在整体上有缺少电子的趋势。
   把这两种晶体紧密结合:N 型半导体中多出的电子向缺少电子的P 型半导体中扩散。这样,在结合部附近,各结构元的价和电子数正好达到平衡,(图8--1)每个原子周围的价和电子平稳运转,没有了电子的紊乱和等待,也就没有了电子空位。
    这就是在不导电时的P N 结。            多出电子           缺少电子             N 区     P N 结     P 区                               图8-1   如果在外电压作用下,电子流趁电子空位从P 极进入,到了P N 结处没有了空位,运动受阻,外来电子在P 型晶体内,把更多的缺电子的价和线路都填满,使更多的结构元达到价和运转的平衡,即填满了更多的电子空位,使无电子空位的地带变得更宽,电阻更大。
    所以从P 极进入的电子填平了电子空位,没有了电子空位,所以此路不通。   在二极管上加上相反的电压,(由N 向P )外电子从N 极因价电子多出,而造成价和运转紊乱所形成的电子空位进入,外电子的到来,更加剧了N 区价和电子运动的紊乱,多出的电子涌向P N 结,打破了P N 的平衡,使得P N 结的电子运转也出现紊乱;出现了因拥挤等待所产生的电子空位。
    更多的电子挤入了空位,通过了P N 结(实际上这时P N 结已不存在)涌向P 区的电子空位,形成电流。   综上述,电子由P 区向N 行不通,而由N 向P 则势如破竹,这样,就形成了二极管的单向导电性能,由于二极管有羚性,所以二极管可以用来整流、检波(截断反向电流)还可以利用二极管反向电阻大,在电路中起隔离作用。
       晶体管 晶体管的全称是晶体三极管,它是由二个P N 结所构成的半导体器件。如果两边是P 型晶体,中间夹着N 型晶体,则称之为P N P 型晶体管。如果中间是P 型晶体,则称作N P N 型晶体管。
   晶体管的中间部分叫做基区,由此引出基极,两头分别为集电极和发射极。   晶体管基区做得很薄,非4 价元素掺和得较少,故电子空位较少。而发射区掺和的非4 价元素比基区多得多,在正常使用情况下,发射区单位体积的电子空位比基区多100 倍以上。
   N 型与P 型材料的结合部位,多出电子的N 区向缺少电子的P 区局部扩散,形成了两个P N 结。   如果基极不接通电流,那么从集电极到发射极之间的电流在P N 结的阻挡下,电阻很大,电流趋近于零。
  如果基区接通电路,电子将从N 区进入,流向P 区。 在P N P 型晶体管中,电子由基极进入,在电压的作用下流向发射极,其原理与二极管相同。(如图8--2左)即由N 向P 的P N 结,在多出的电子的紊乱的运动中形成电子空位,形成外来电子的通路,形成基极电流。
    与此同时,由于N 区电子多出且紊乱,又由于P 区的电子空位的密度比N 区多上百倍,且N 区做得很薄。这N 区的紊乱电子随即扰乱了上游的P N 结(即由集电极与基极间的P N 结)使这个P N 结的电子顺势流动,于是这上游的P N 结又形成了电子空位,形成了电流的通路。
               集电极  基极  发射极    集电极  基极  发射极                       P N P 型晶体管     图8--2   N P N 型晶体管   由于发射区电子空位密度比基区多上百倍,绝大部分电子由此通过,所以其电流比基极电流大得多,而且是随基极电流成比例增大,这样就形成了晶体管的放大效应。
     N P N 型晶体管的导电,是电子首先由集电极N 区进入,由基极P区流出,情同二极管。由于中间P 区很薄,基极的电子流出,扯动了下游P N 结的电子,使下游N 区少量电子也向P 区移动,造成了P N 结地带的电子运动紊乱,下游的P N 结基本消失,从集电极来的电子趁紊乱所形成的电子空位进入发射区,由于发射区电子空位多,电子运动通畅,形成了主电流。
    根据工艺配方的不同,主电流一般要比基极电流大几十倍乃至一百多倍。同时不同的工艺配方,也决定了晶体管的其它各项性能参数。   电阻  物质内的电子空位多,外电子易于进入,并且易于在其原子间换位流动,该物质的导电能力就强,电阻较小。
  如银、铜的核外层价电子仅1个,相应地电子空位多,故导电能力强。  铝只有最外层的一个价电子参入价和运转,所以和铜一样,电子空位较多,导电能力亦很好。此外,若价和电子速率低,外电子在换位流动中受阻概率小,该导体的电阻就小。
     当外界温度降低,导体的原子核最外层电子--价和电子在稳定平面运转,电子速率减慢,这样,外来电子易于进出换位,故温度降低时导体的导电能力增加、电阻小。  反之,若温度升高、价电子速率增快、运转线路往往超出平面,使得空位存在时间越来越短,外来电子进入及换位受阻概率增加,因而导电率下降。
     而在半导体中,电子空位是由于价和电子速率紊乱所致,温度升高电子速率增加,也就加剧了半导体内价和电子运行的紊乱程度,因而使得电子空位增加,导电能力增加。   外电子趁半导体内的紊乱进入其间,换位流动,"挤"出一条通路。
  当电流过大时,价和电子紊乱加剧,核心则有失掉电子的危机,于是核心升温,增加对电子的控制(这就形成了半导体导电的升温现象)。有少数电子被吸引到核心周围脱离价和运转,这时4价的原子只有3个电子参入价和运转,这就象在硅晶体中增加了3价的硼原子一样,使得半导体内电子空位大增,导电率也随之增加。
       发电原理 人们利用水能、风能、燃料、原子能作为动力,推动着世界各地的发电机日日夜夜不停地运转着,发电机的导线分分秒秒不知疲倦地切割着磁力线,把电流源源不断地送往各行各业、千家万户。
  电流在导线内是如何产生的,为何闭合的导线切割磁力线就能发电? 试验证明,电子在磁场的作用下就能发生运动,若导线中充满了自由电子,那么,这种闭合导线放到磁场里,电流就会自动不断地产生。  然而事实并非如此:导线不作切割磁力线的运动,电流无论如何也不会产生。
  而且闭合导线在作切割磁力线时会遇到一定的阻力,这阻力何来?为什么导线克服阻力运动后电子才会流动?   在第五章我们讲到,金属(铜,银等)的原子只有一个价电子,二个原子组合成一个结构元,组成这个结构元的价电子在价和运转时,伴生着较强的电磁力,使无数个结构元就象无数个小磁铁。
    小磁铁在空间上下、左右对应整齐排布形成并维系着其金属的固体结构。 当金属置于磁场中时,部分价和电子立即调整方位,"小磁铁"既结合金属的固体结构;又与外部磁力达到平衡,没有电流产生。
  此时若把导线顺着(不切割)磁力线方向运动,这种平衡维持不变,也不会产生电流。   此时若让导线作切割运动,这种平衡就要遭到破坏,导线内部结构元的电磁力就会竭力维持平衡,可以想象是无数个小磁铁与外磁场发生的斥力,这就是切割运动时的阻力。
     当使导线作切割运动的外力较大时,打破了无数小电磁力与外磁场的平衡,结构元的电磁力抵御不了外力,于是在导线移动之时就导致了价和轨道的翻转、电子的调位再组合,就在这翻转重组的同时,在外磁场力作用下,电子移动换位,形成电流。
     因为磁力线也是由物质的结构元所产生,虽然很密,从微观上讲,其间还是有间隙,若上述导线的切割运动是连续进行,则电子就不断进行翻转、复原、翻转运动,电流就源源不断。  若导线向相反方向运动,则电流方向相反。
  若导线运动快,使得流动的电子增多,电流强度增大。当然,切割的线速度也不能太快,太快了超过了价和电子的反应速度,则不能产生更大的电流,反而使电子的运动出现紊乱,使导线发热、电阻增大。   发电机飞旋的结果是产生了强大的电流--电能,电能实际上也是电子运动的动能,是电子在结构元之间运动的动能。
    联想到第三章所述,化学能、热能都是核外电子运动的动能,这样,使能量的概念更加和谐系统。电能、热能、化学能之间的相互转换是有其内在的联系的。燃料电池、蓄电池的发电蓄电机理也在于此。
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2019-03-23

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导电的原理是:导体物质的原子的价电子较少,外电子层不饱满,存在着电子空位,在电压的作用下外来的电子进入电子空位,多出的电子在电子空位间换位移动,从而形成电流。

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