Question

为什么铁、铜、银等金属能导电?

Answer 1

关于金属导体导电,经典导电理论认为,是由于金属导体内部存在大量的可以自由移动的自由电子,这些自由电子在电场力的作用下定向移动而形成电流.
1 金属原子的核外电子
所有的原子均由原子核与绕核运动的核外电子构成,原子核外电子绕核运动所需的向心力由原子核与电子之间的库仑电场力提供,众多的核外电子在原子核外距核不同距离的轨道上运动,距核最近的电子,受原子核的作用力最大,电子的总能量最低,而距核最远的最外层电子,受原子核的束缚力最小,电子的势能最大,总能量最大.这最外层电子由于受束缚最小,所以它经常受邻近原子的干扰,而绕邻近原子核运动.金属原子之间就是依据这种外层电子干扰后的互绕运动形成的作用力而结合成金属体的.由于这种结合力非常小,所以金属有柔软、加热易产生形变等特点.
2 洛仑兹力（或感应电场力）作用下的金属导体
如果金属导体在磁场中作切割磁感线运动,则导体内部核外电子受到洛仑兹力的作用,并在这种作用下原子发生极化,产生了原子极化电动势.但不管洛仑兹力多大,它也不能对电子做功,增加电子动能,使它脱离原子核束缚,并使电子在脱离原子核束缚后,继续对它做功,在力的方向上发生加速运动形成电流.
3 电压分配电场力作用下的金属导体
如果金属导体两端加上一个电压,使导体内部形成一个电压分配电场,则导体内部的核外层电子在绕核运动时该受电压分配电场力的作用,该电场力对电子做了正功,使电子动能增加,有了足够的能量克服核的束缚,到了核外,变为自由电子因为原子核外电子中只有最外层电子的能量最大,要形成自由电子需克服核引力做功最小,所以,一般情况下,在导体两端加上电压,也只有最外层电子能够脱离原子核,变成自由电子.最外层电子脱离原子核的束缚需对其做功最小.形成电流后的自由电子实际也是不自由的,一方面它受到了电压分配电场力的作用,并在电场力的方向上运动,另一方面在运动过程中,并非通行无阻.原子内外空间,对于一个非常微小的电子而言,可以说是相当广阔的,原子核就好像宇宙空间的恒星,而自由电子就像在宇宙空间飞行一颗小流星,这个比喻也不是很恰当,因为流星在太空中飞行可能不会使到其他物体的阻力,但自由电子却会受阻力,这是因为原子核外的空间并不是什么也没有,而是还绕行着内层电子,而且这些金属的内层电子的数量要远比形成自由电子的最外层电子多得多,我们不妨把这些原子的内层电子形成的屏障称为电子云气.电子云气带有负电,自由电子也带负电,所以,自由电子要在电子云气中穿梭形成电流,必然受到电子云气的阻力作用.在稳定电流形成后,如果把导体两端的电压突然撤去,导体内部电场消失,自由电子失去了电场力的作用,作用在它上的只有阻力,于是电子作减速运动,速度很快减小为零.而后在原子核的引力的作用下,重新回到原子核外层相应的轨道上作绕核运动.
4 欧姆定律与电阻定律
在电流流动过程中,由于电子云气对自由电子的阻力,对电流的流动形成了一定的阻碍,也就产生了导体的电阻.必须说明的是,自由电子在运动过程中受到的阻力并不等于导体的电阻,自由电子受到阻力大,并不意味着导体的电阻大,反之,导体的电阻大,也同样不等于说自由电子定向移动时受的阻力就大.
5 能量转化与焦耳定律
当导体两端刚加上电压,电场力对原子核最外层电子做正功,以克服原子核的束缚力,但由于电场力克服原子核的束缚力做功远远小于电流长期流动克服电子云气阻力做的功,所以,克服原子核束缚所做的功是十分微小,可以忽略的.
自由电子在加速过程中,电场力也对其做了正功,但也因为电子加速时间非常短,运动位移非常小（这里不作论述）,所以,电场力做也非常小,也可以忽略.所以自由电子形成电流后,电场主要能量损耗在于克服电子云气做功.
6 通电导体在磁场中运动
上面分析中电流通过导体时只克服电子云气做功,电子云气对自由电子的阻碍表现为电阻,所以这样导体称为纯电阻导体,电路中只有纯电阻导体的电路称为纯电阻电路.由以上各式可知,纯电阻电路把电功转化为热能.
但是,通电导体在磁场中会受到磁场力（安培力）的作用, ,在此力作用下,导体开始加速运动,切割磁感线,使导体内原子发生极化,产生极化电动势,导体两端感应电动势形成,会在其他外部导体部分产生一个电场,对流过的自由电子产生阻力,为了克服该阻力,电流遂在导体内部产生了一个与电流方向相同的电压分配电场,使该电场与感应电动势产生的电场相抵消,因此保持了电流的稳定,也在导体两端产生了电压,该电压大小正好与感应电动势相等,方向相反.
这样电压分配电场力要克服感应电动势产生的阻力做功,消耗电能,这些能量转化为安培力对外界做功,以机械能形式出现.
如果放入磁场中的导体不是理想导体,那么,电场力不但要克服感应电动势而做功,而且克服电子云气的阻力而做功,所以,电能有一部分转化为机械能形式,也有一部分转化为热能.
7电流流通后的电源
电流流通之后,电源内部发生了什么样变化?由于非静电力只能使原子发生极化,使电源产生电动势,但非静电力并不能对电子做功,也不能使外层电子克服原子核的束缚,成为自由电子,更不能使电子定向移动形成电流,那么,电源内部的电流是怎样形成的呢?
在电源内要形成电流,除了要使外层电子克服原子核的束缚外,同样需要克服电子云气阻力做功,非静电没有这样的功能,所以,必须在电源内产生一个由电源负极指向正极的电压分配电场,外层电子就是在这个电场力的作用形成电流,并在电源内部产生电压降,该电压降电源负极电位高于正极电位,即方向从负极指正极,与电源电动势方向相反.