金屬的導電性與導熱性

1、金屬的導電性與導熱性 姓名：馬麗萍物理教育 Z1101班金屬的導電性與導熱性物理系Z1101班馬麗萍一、導電性物體傳導電流的能力叫做導電性。各種金屬的導電性各不相同，通常銀的導電性最好，其次是銅和金。固體的導電是指固體中的電子或離子在電場作用下的遠程遷移，通常以一種類型的電荷載體為主，如：電子導電，以電子載流子為主體的導電；離子導電，以離子載流子為主體的導電；混合型導體，其載流子電子和離子兼而有之。除此以外，有些電現(xiàn)象并不是由于載流子遷移所引起的，而是電場作用下誘發(fā)固體極化所引起的，例如介電現(xiàn)象和介電材料等。 1.1 導電的概述導電即是讓電流通過1.2導電性的解釋物體導電的能力。一般來說金屬、

2、半導體、電解質和一些非金屬都可以導電。非電解質物體導電的能力是由其原子外層自由電子數(shù)以及其晶體結構決定的，如金屬含有大量的自由電子，就容易導電，而大多數(shù)非金屬由于自由電子數(shù)很少，故不容易導電。石墨導電，金剛石不導電，這就是晶體結構原因。電解質導電是因為離子化合物溶解或熔融時產生陰陽離子從而具有了導電性。1.3理論由來最早的金屬導電理論是建立在經(jīng)典理論基礎上的特魯?shù)乱宦鍌惼澙碚?。假定在金屬中存在有自由電子，它們和理想氣體分子一樣，服從經(jīng)典的玻耳茲曼統(tǒng)計，在平衡條件下，雖然它們在不停地運動，但平均速度為零。有外電場存在時，電子沿電場力方向得到加速度a,電子產生定向運動，同時電子通過碰撞與組成晶格的

3、離子交換能量，而失去定向運動，從而在一定電場強度下， 有一平均漂移速度。根據(jù)經(jīng)典理論，金屬中自由電子對熱容量的貢獻應與晶格振動的熱容量可以相比擬，但是在實驗上并沒有觀察到，這個矛盾在認識到金屬中的電子應遵從量子的費米統(tǒng)計規(guī)律以后得到了解決。根據(jù)費米統(tǒng)計,只有在費米面附近的很少一部分電子對比熱容有貢獻。 另一個困難是根據(jù)實驗上得到的金屬電導率數(shù)值估算出 的電子平均自由程約等于幾百個原子間距，而按照經(jīng)典 理論，不能解釋電子為什么會有如此長的自由程。正是為了解決這個矛盾，結合量子力學的發(fā)展，開始系統(tǒng)研 究電子在晶體周期場中的運動，從而逐步建立了能帶理論。按照能帶理論，在嚴格周期性勢場中運動的電子,保

4、持在一個本征態(tài)中，電子運動不受到“阻力”,只是當原子振動、雜質缺陷等原因使晶體勢場偏離周期場， 使電子運動發(fā)生碰撞散射，從而對晶體中電子的自由程 給出了正確的解釋。一般金屬的電阻是由于晶格原子振 動對電子的散射引起的。散射概率與原子位移的平方成正比，在足夠高的溫度下與原子位移成正比；在低溫下， 只有那些低頻的晶格振動，也就是長聲學波，才能對散 射有貢獻，而且隨著溫度降低，有貢獻的晶格振動模式 的數(shù)量不斷減少，呈現(xiàn)出金屬電阻率在低溫極限下將隨溫度變化。實際材料中存在有雜質與缺陷，也將破壞周期性勢場，引起電子的散射。金屬中雜質和缺陷散射的影響，一般說來是不依賴于溫度的，而與雜質和缺陷 的密度成正比

5、，它們是產生剩余電阻的原因。稀磁合金 材料極低溫下出現(xiàn)的電阻極小，是電子被磁性雜質散射時伴隨有自旋變化的結果，稱為近藤效應。在費米統(tǒng)計和能帶論的基礎上，發(fā)展了金屬電導的現(xiàn)代理論。金屬的導電性與溫度有關。通常情況下，金屬電阻 率正比于溫度T。在低溫時，許多金屬材料的電阻率隨 溫度按T“規(guī)律變化。在極低溫的液氦溫度范圍，含有 微量磁性雜質的稀磁合金材料大都在電阻隨溫度變化曲 線上出現(xiàn)極小值。金屬同時是一個良好的導熱體。維德曼一夫蘭茲定律表明，金屬的熱導率k與電導率正比于溫度T，即 k/a二LT 式中L=2.22x10一8V2/K，L為一常數(shù)，稱洛倫茲數(shù)。 按照馬德森定則，包含少量雜質或缺陷的金屬材

6、料，其 電阻率P可以寫成: P=P0+P1(P1為電阻率中與溫度有關的部分;P0為與溫度無關的部分，表示雜質與缺陷的影響，是當溫度T趨向OK 時的電阻值，稱為剩余電阻。1.4 不導電的物體金屬和非金屬的區(qū)別 從化學性質看金屬是金屬鍵連接,而非金屬是靠離子鍵或共價鍵連接.從物質性質看,金屬一般具有導電性，有金屬光澤，有延展性并且大多數(shù)是固體只有汞常溫下是液體.而非金屬大多是絕緣體,只有少數(shù)非金屬是導體(碳)或半導體(硅).但是由于科學技術的高速發(fā)展，它們之間的區(qū)別也越來越不明顯. 納米技術的發(fā)展更使金屬和非金屬之間的區(qū)別越來越小. 金屬一般具有導電性,可見有不導電的金屬。1.5 金屬的導電性金屬

7、之所以可以導電是因為金屬內部含有大量的自由電子。金屬具有良好的導電性,其電導率在10歐·厘米以上。金屬中的電流密度J可寫成電子電荷e、電子的平均漂移速度尌和電子濃度n的乘積,即：可定義電子平均速度與電場強度E的比值為電子遷移率，這樣一來，電導率可表為=ne。在歐姆定律成立的條件下，遷移率 與電場強度無關，決定于材料的性質。最早提出的金屬導電理論是P.K.L.德魯?shù)碌慕?jīng)典理論。假定金屬中價電子在電場中以同樣方式運動，通過碰撞與組成點陣的離子實交換能量；在兩次碰撞之間，電子被電場加速。電子在碰撞與加速這兩種作用之下，具有一定的平均速度，即一定的遷移率，從而能解釋歐姆定律。類似的考慮應用到

8、熱導理論，可以解釋維德曼夫蘭茲定律，但德魯?shù)碌睦碚摬荒芙忉尳饘匐妼逝c溫度的依賴關系，也不能解釋電子具有幾百個原子間距的長自由程的實驗事實。這些矛盾直到人們用量子理論系統(tǒng)地研究了電子在晶體中運動的能帶理論才得到了解決（見固體的能帶）。能帶論指出，導體、半導體、絕緣體導電性是由于它們的能帶結構不同造成的。金屬導體具有未被電子填滿的能帶，這種帶中的電子能起導電作用，稱為導帶。能帶理論還指出，在嚴格的周期性勢場中，電子可保持處于某個本征態(tài)，且不隨時間改變，也就是說，在嚴格的周期性勢場中電子具有無限長的自由程，不會受到散射。因此，金屬中的電阻并不是由于電子與周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置

9、附近的熱振動（點陣振動）。使嚴格的周期性勢場遭到破壞，引起散射的結果?？紤]了電子與點陣振動的相互作用，即電子相互作用之后，理論才很好地解釋了電導率與溫度的關系，以及電子具有幾百個原子間距的長自由程的實驗事實。經(jīng)驗表明，金屬的電阻率與溫度的關系大致上可用一個普適函數(shù)來表示, 式中R是一個特征函數(shù)，接近于德拜模型，T是絕對溫度。函數(shù)f在高溫時趨于1,低溫下正比于(T/R)。即在高溫時，電阻率正比于T,低溫下正比于T。 不僅電子與點陣振動相互作用是固體電阻的起因，點陣的不完整性，如缺陷、雜質的存在也破壞了嚴格的周期性勢場，也是電阻的起因。這種原因引起的電阻一般與溫度無關，在低溫下這部分電阻保持不變，

10、不會消失，稱為剩余電阻。如圖所示，為鈉在低溫時由于點陣缺陷散射機制引起的剩余電阻。有些金屬和合金，在極低溫度下電阻率會突然降到零，在此轉變溫度下的物質叫做超導體。1.6 金屬的電導率大小銀 15.86 、銅 16.78 、金 24 、鋁 26.548 、鈣 39.1 、鈹 40 、鎂 44.5 、鋅 51.96、鉬 52 、銥 53 、鎢 56.5 、鈷 66.4 、鎘 68.3 、鎳 68.4 、銦 83.7 、鐵 97.1 、鉑 106 、錫 110 、銣 125 、鉻 129 、鎵 174 、鉈 180 、銫 200 、鉛 206.84 、銻 390 、鈦 420 、汞 984、錳 18

11、50二、導熱性2.1 釋義物質傳導熱量的性能稱為導熱性。2.2、金屬的導熱性金屬能夠導熱是因為金屬原子核之間進行能量（主要是動能）傳遞。金屬的導熱性的差別在于金屬鍵的強弱區(qū)別。金屬晶體的導熱是由于晶體內部，自由電子與金屬陽離子的碰撞，另一個金屬原子又失去最外層電子，碰撞到第三個（形容詞）金屬陽離子上成為中性原子。假如右端受熱，右端的中性原子失去電子帶著能量向左邊金屬陽離子傳遞左邊金屬原子，受熱又失去電子，再向左端傳遞。這樣熱就從右端導到左端了。 金屬導體的熱傳導主要是通過電子的運動，而絕緣體的熱傳導主要依靠格波的傳導，即聲子的運動，對于半導體，由于電阻相當高，性質介于導體和絕緣體之間，所以熱導率由上述兩種機構決定。一般情況，聲子對熱導率的貢獻所占的比例要比電子的貢獻大得多一般說導電性好的材料，其導熱性也好。若某些零件在使用中需要大量吸熱或散熱時，則要用導熱性好的材料。如凝汽器中的冷卻水管常用導熱性好的銅合金制造，以提高冷卻效果。導熱性能好的物體，往往吸熱快，散熱也快。 其大小用熱導系數(shù)來衡量，熱導系數(shù)定義