金属的导电性与导热性..pdf

金

属

的

导

电

性

与

导

热

性

姓名：马丽萍

物理教育Z1101班

金属的导电性与导热性

物理系Z1101班马丽萍

一、导电性

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：电子导电，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。

1.1导电的概述

导电即是让电流通过

1.2导电性的解释

物体导电的能力。一般来说金属、半导体、电解质和一

些非金属都可以导电。非电解质物体导电的能力是由其原子

外层自由电子数以及其晶体结构决定的，如金属含有大量的

自由电子，就容易导电，而大多数非金属由于自由电子数很

少，故不容易导电。石墨导电，金刚石不导电，这就是晶体

结构原因。电解质导电是因为离子化合物溶解或熔融时产生

阴阳离子从而具有了导电性。

1.3理论由来

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,电子产生定向运动，同时电

子通过碰撞与组成晶格的离子交换能量，而失去定向运动，

从而在一定电场强度下，有一平均漂移速度。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。根

据费米统计,只有在费米面附近的很少一部分电子对比热容

有贡献。另一个困难是根据实验上得到的金属电导率数值估

算出的电子平均自由程约等于几百个原子间距，而按照经典

理论，不能解释电子为什么会有如此长的自由程。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原子位移成正比；

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下将随温

度变化。实际材料中存在有杂质与缺陷，也将破坏周期性势

场，引起电子的散射。金属中杂质和缺陷散射的影响，一般

说来是不依赖于温度的，而与杂质和缺陷的密度成正比，它

们是产生剩余电阻的原因。稀磁合金材料极低温下出现的电

阻极小，是电子被磁性杂质散射时伴随有自旋变化的结果，

称为近藤效应。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。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。维德曼一夫

兰兹定律表明，金属的热导率k与电导率正比于温度T，即

k/a二LT式中L=2.22x10一8V2/K，L为一常数，称洛伦兹

数。按照马德森定则，包含少量杂质或缺陷的金属材料，其

电阻率P可以写成:P=P0+P1(P1为电阻率中与温度有关的部

分;P0为与温度无关的部分，表示杂质与缺陷的影响，是当温

度T趋向OK时的电阻值，称为剩余电阻。

1.4不导电的物体

金属和非金属的区别从化学性质看金属是