物体传导电流的能力叫做导电性。各种
金属的导电性各不相同,通常
银的导电性最好,其次是
铜和
金。固体的导电是指固体中的
电子或离子在
电场作用下的远程迁移,通常以一种类型的电荷载体为主,如:电子
导体,以
电子载流子为主体的
导电;离子导电,以离子载流子为主体的导电;混合型导体,其载流子电子和离子兼而有之。除此以外,有些电现象并不是由于
载流子迁移所引起的,而是电场作用下诱发固体极化所引起的,例如介电现象和
介电材料等。
最早的金属导电理论是建立在经典理论基础上的特鲁德一
洛伦兹理论。假定在金属中存在有
自由电子,它们和
理想气体分子一样,服从经典的
玻耳兹曼统计,在平衡条件下,虽然它们在不停地运动,但
平均速度为零。有外电场存在时,电子沿
电场力方向得到加速度a,从而产生定向运动,电子通过碰撞与组成
晶格的离子实现能量交换,而失去定向运动,因此在一定
电场强度下, 有一平均
漂移速度l。根据经典理论,金属中自由电子对热容量的贡献应与
晶格振动的热容量可以相比拟,但是在实验上 并没有观察到,这个矛盾在认识到金属中的电子应遵从
量子的
费米统计规律以后得到了解决。正是为了解决这个矛盾,结合量子力学的发展,开始系统研 究电子在晶体周期场中的运动,从而逐步建立了
能带理论。按照
能带理论,在严格
周期性势场中运动的电子, 保持在一个
本征态中,电子运动不受到“
阻力”,只是当原子振动、杂质缺陷等原因使晶体势场偏离周期场, 使电子运动发生碰撞散射,从而对晶体中电子的自由程 给出了正确的解释。一般金属的电阻是由于
晶格原子振动对电子的散射引起的。散射
概率与原子
位移的平方成
正比,在足够高的温度下与温度T成正比;在低温下, 只有那些低频的
晶格振动,也就是长
声学波,才能对散 射有贡献,而且随着温度降低,有贡献的晶格振动模式的数量不断减少,呈现出金属
电阻率在低温极限将随之变化。在费米统计和能带论的基础上,发展了金属
电导的现代理论。其
电导率σ在1护9一‘cm-1以 上。 根据欧姆定律,金属中的
电流密度j
正比于
电场强度E 。金属的导电性与温度有关。通常情况下,金属电阻率正比于温度T。在低温时,许多金属材料的电阻率随温度按T规律变化。在极低温的液氦温度范围,含有微量磁性杂质的稀磁合金材料大都在电阻随温度变化曲 线上出现极小值。金属同时是一个良好的
导热体。
金属和非金属的区别:从
化学性质看金属是
金属键连接,而非金属是靠
离子键或
共价键连接。从
物理性质看,金属一般具有导电性、
导热性、
延展性,有
金属光泽,并且大多数是固体只有
汞常温下是液体。而非金属大多是
绝缘体,只有少数非金属是
导体(
碳)或半导体(
硅)。但是由于科学技术的高速发展,它们之间的区别也越来越不明显。
纳米技术的发展更使金属和非金属之间的区别越来越小。
不同的固体有不同的导电特性,通常用
电导率σ来量度它们的导电能力。电导率的定义是对固体施加的
电场强度E与固体内
电流密度J的比值。实验研究指出:在不太强的电场下固体的
电导通常服从
欧姆定律,即电流密度与
电场强度成正比,σ是与电场强度无关的。对于立方晶体或
非晶态材料来说,电导率σ是
各向同性的,是一个标量。在一般情况下,电导率可能是各向异性的,应该用一个二阶张量表示。电导率的单位是S/m。在许多情况下,电导率的倒数是一个使用起来更方便的量,称之为
电阻率,用ρ表示,单位是Ω·m。
根据
电导率的数值及其与
温度的依赖关系,大致把固体分为三类:金属、半导体和绝缘体,下面依次作简要的说明。
金属具有
良好的
导电性,其电导率在10 s/cm以上。金属中的
电流密度J可写成
电子电荷e、电子的平均
漂移速度尌和电子浓度n的乘积,即可定义电子
平均速度与
电场强度E的比值为
电子迁移率。这样一来,
电导率σ可表为σ=neμ。在欧姆定律成立的条件下,迁移率μ与电场强度无关,决定于材料的性质。最早提出的金属导电理论是P.K.L.德鲁德的经典理论。假定金属中
价电子在
电场中以同样方式运动,通过碰撞与组成
点阵的
离子实交换能量;在两次碰撞之间,电子被电场加速。电子在碰撞与加速这两种作用之下,具有一定的
平均速度,即一定的迁移率,从而能解释
欧姆定律。类似的考虑应用到
热导理论,可以解释维德曼-夫兰兹定律,但德鲁德的理论不能解释金属电导率与温度的依赖关系,也不能解释电子具有几百个
原子间距的长自由程的实验事实。这些矛盾直到人们用量子理论系统地研究了电子在晶体中运动的
能带理论才得到了解决(见
固体的能带)。能带论指出,
导体、半导体、
绝缘体导电性是由于它们的
能带结构不同造成的。金属导体具有未被电子填满的能带,这种带中的电子能起导电作用,称为
导带。能带理论还指出,在严格的
周期性势场中,电子可保持处于某个
本征态,且不随时间改变,也就是说,在严格的周期性势场中电子具有无限长的自由程,不会受到散射。因此,金属中的电阻并不是由于电子与周期排列的
原子的碰撞,而是由于原子在
平衡位置附近的热振动(点阵振动)。使严格的周期性势场遭到破坏,引起散射的结果。考虑了电子与点阵振动的相互作用,即
电子-声子相互作用之后,理论才很好地解释了电导率与温度的关系,以及电子具有几百个原子间距的长自由程的实验事实。经验表明,金属的
电阻率与温度的关系大致上可用一个普适函数来表示, 式中ΘR是一个特征函数,接近于
德拜温度(见
德拜模型),T是绝对温度。函数f在高温时趋于1,低温下
正比于(T/ΘR)。即在高温时,电阻率正比于T,低温下正比于T。
不仅电子与点阵振动相互作用是固体电阻的起因,点阵的不完整性,如缺陷、杂质的存在也破坏了严格的周期性势场,也是电阻的起因。这种原因引起的电阻一般与温度无关,在低温下这部分电阻保持不变,不会消失,称为剩余电阻。如钠在低温时由于点阵缺陷散射机制引起的剩余电阻。有些金属和合金,在极低温度下
电阻率会突然降到零,在此
转变温度下的物质叫做
超导体(见
超导电性)。
半导体的电导介于金属和绝缘体之间。对于
本征半导体,在
绝对零度时,它只有完全被电子填满的价带和全空的导带,二者之间存在着一个带隙,或称
禁带(见固体的能带)。当温度升高时,有少量电子从
价带激发到导带,产生能导电的电子和空穴,
载流子浓度与温度有关,其
电导率随温度的变化可近似表示为σ∝e,A是常数,T是绝对温度。对于掺杂半导体的电导,以及半导体的导电中其他问题,见半导体物理学。