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電傳導

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電傳導(英語:electrical conduction)是指介質內,載電荷的粒子的運動。稱這些粒子為電荷載子。它們的運動形成了電流。這運動可能是因為感受到電場的作用而產生的,或是因為載子分佈的不均勻引發的擴散機制的結果。對於不同的物質,電荷傳輸的物理參數也不同。根据物质电传导性的不同可以分为导体绝缘体。常见的导体有金属电解质溶液或液体。常见的绝缘体有干燥的木材塑料橡胶

歐姆定律明確地描述了金屬電阻器的電傳導。歐姆定律闡明,電流與外加的電場成正比,在一個物質內,由於外加的電場 而產生的電流密度 ,可以用方程式表達為

其中, 是物質的電導率

或者,

其中, 是物質的電阻,是 倒數

半導體元件裏,電傳導是由電場作用和擴散這兩種物理機制共同引發的。因此,電流密度可以表達為

其中, 是擴散常數,電荷量 是電子的體積密度。

由於電子的電荷量是負值,載子是朝著電子密度遞減的方向移動。因此,對於電子,假若電子密度的梯度是正值,則電流是負值;假若載子是電洞,則必須將電子密度 改換為電洞密度 的負值:

對於線性異向性物質, ,都是張量

經典概念

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德鲁德模型中的电子(蓝色)不断在较重的、静止的晶体离子中间(红色)撞來撞去。

設想外電場 作用於某物體。在這物體內,電荷量為 的自由電子,感受到電場力 ,會呈現加速運動

沒有任何障礙阻止這運動,自由電子的速度會變得越來越大。然而,每經過一段時間 ,自由電子會碰撞到其它原子的阻礙,使其速度回歸為熱速度 (thermal velocity) 。這樣,自由電子的運動會呈現不斷的加速與碰撞。每一次碰撞,累積的動量 平均為

其中,角括弧代表平均程序。

所以,電流密度

其中, 是電子密度, 是自由電子的平均速度, 是電子質量。

這經典模型是由保羅·德鲁德於 1900 年提出,稱為德鲁德模型。從這模型得到了一個重要結果:電流密度與電場成正比,比例是物質的電導率 [1] [2]

電解質

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電解液裏的電流是載有電荷的離子流。例如,施加電場於 Na+Cl 的溶液。那麼,鈉離子會不斷地移向負極;而氯離子會往正極移動。在正常狀況下,氧化還原反應會發生於電極表面,將氯離子的電子釋放出來,經過導線傳輸到另外一端,讓電子被鈉離子吸收。

水-冰混和物和某些稱為質子導體 (proton conductor) 的固態電解質,含有可移動的正價氫離子。對於這些物質,電流是由移動的質子形成的。

在某些電解質混合物裏,一群鮮豔著色的離子形成了移動的電荷。這些離子的緩慢移動所形成的電流,可以用人眼直接地觀察到。

氣體和電漿

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對於空氣和一些普通氣體,假設施加的外低於击穿电場阈值,電傳導的主要電荷載子是由放射性氣體紫外光宇宙射線造成的相當少數量的可移動離子。由於電導率非常低,氣體是電介質絕緣質。但是,一當施加的外電場超過击穿值時,由於電場力的作用,自由電子呈加速運動,動能變得相當大,足夠以碰撞機制來製造更多的自由電子,或用雪崩击穿的機制將中性氣態原子或中子電離。這程序形成了電漿,含有很多的可移動的電子和正離子,使電漿的物理行為變得就像一個導體。這程序的傳導路徑上,會有光波發射出來,像電光 (spark) 、電弧閃電等等。

電漿態是一種物質態。當氣體的分子或原子的一些電子被電離時,稱此狀態的物質為電漿。非常高的溫度,或強大的電場或磁場的作用,會產生電漿。由於電子的質量很小,當施加電場時,電漿的電子會比很重的正離子更快加速。大部分的電流是由電子形組成的。

真空

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由於在理想真空 (perfect vacuum) 內,沒有任何帶電粒子,這種真空就好像理想絕緣體。但是,通過場致電子發射 (field electron emission) 或熱離子發射 (thermionic emission) 的機制,金屬的電極表面會發射自由電子離子於真空,因而使得真空內的一部分區域變得具有傳導性。當熱能超過金屬的功函數時,就會產生熱離子發射,金屬會發射出熱離子。當金屬表面的電場有足夠的強度來引發量子穿隧效應時,就會出現場致電子發射,促使金屬原子射出電子於真空。

參閱

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參考文獻

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  1. ^ Neil W. Ashcroft; N. David Mermin. Solid State Physics. Saunders College. 1976: 6–7. ISBN 0-03-083993-9. 
  2. ^ Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. 1998: pp. 289. ISBN 0-13-805326-X.