金属为什么可以导电？

姬扬

人类对材料的认识，依赖于时代，也依赖于具体的人。

在远古的时代，人们通过颜色和重量辨别金属和石头。金灿灿的、沉甸甸的是金子，灰突突的、不那么沉的，是石头。这是当时的大众认识，可以据此做些粗浅的分辨，而那个时代的“科学家”的看法就更深入一些，知道发光的不一定都是金子，也可能是愚人金，现在称为黄铁矿的东西。那么现在，大家对金属或其他材料的认识，深入到了哪一步呢？大家好，我是姬扬。今天我来跟大家聊聊，不同材料的内部结构，是如何影响它们的导电性的。

通常用电阻率这个量来衡量材料导电性质的好坏，判断它是不是金属。金属的导电性质好，电阻率小，比如说金银铜铁铝等，绝缘体不导电，电阻率非常大，比如说陶瓷、干燥的木材等。

参与导电的微观粒子称为载流子（运载电流的粒子），不同材料里的载流子不一样，简单地说，材料的导电性质取决于载流子的数量多少、载流子本身的性质以及外界对载流子传输过程的影响。液体里的载流子是离子，而固体材料中是电子，因为离子的重量大、数量少、运动速度慢，所以液体的导电性比固体材料差得多。

但是，并非所有的固体材料都导电。金属和陶瓷里都有大量的电子，在材料的两端加电压，金属里的电子可以在电场的作用下移动，而陶瓷里的不能动，这就是它们导电性质差别很大的原因。科学家提出“能带理论”来解释这种差别，可以用来区分材料是金属还是绝缘体，以及导电性质介于二者之间的半导体。

同样是可以导电的金属，它们的电阻率也不一样，比如说，金银铜的导电性质比铁铝的好得多。这有很多原因，包括：不同金属中包含的能自由运动的电子数目有差别；不同金属的具体结构有差别；金属本身的结构不是那么完美，有各种各样的缺陷；金属中包含的杂质数量有差别；这些缺陷和杂质可以阻碍电子的运动；等等。

材料的导电性质还依赖于它所处的环境温度，因为温度影响了参与导电的电子数量和单个电子的导电本领。一般来说，温度越低，金属的导电性质越好，而半导体来在一些特定的温度范围里，随着温度的升高，半导体的导电性质可能会变好，甚至变好了很多。这是因为金属和半导体的能带结构差异造成的。

在金属里，导带里本来就有大量的电子，它们都参与金属的导电温度的变化几乎不影响其数量，但是温度越低，单个电子受到周围环境的影响就越小（受到的散射越少，不容易偏离其运动方向）。在半导体里，导带里的电子通过“热激发”来自于价带或者杂质能级的，随着温度的升高，材料里的电子（还有所谓的空穴）总数会显著增加，这是有利导电的因素，克服了升温导致单个电子运动能力下降的不利影响，所以，半导体的导电性质对温度的依赖关系与金属很不一样。利用它可以做很多事情。

在非常低的温度下，有些材料在导电的时候甚至可以完全没有电阻——这就是超导体，科学家对这种现象的物理机制已经有了相当深入的了解，并努力探索和制造新的材料，争取让它们在室温下也能保持电阻为零的特性，如果真的能够实现这个目标，就会显著地改变我们的用电方式。

根据材料导电性质的差异，可以把它们应用到我们工作和生活的方方面面，可以说，对不同材料的导电性的认识与应用，已经是维系我们现代生活不可或缺的基石之一。相信从本期视频中，每个人都应该了解到不少关于导电性的知识了吧。

审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室 高级工程师

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