劉津

摘 要：物質(zhì)的導(dǎo)電性是物理電學的基礎(chǔ)，同時也和一些自然知識、化學知識息息相關(guān)。對物質(zhì)的導(dǎo)電性的探索與研究可有效激發(fā)學生對理化的學習興趣，提高安全用電的科學性和自覺性。如何加深學生對物質(zhì)導(dǎo)電性的認識，對其進一步掌握和應(yīng)用中學理化知識具有非常重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)的導(dǎo)電性；導(dǎo)體；絕緣體；半導(dǎo)體

一、引言

眾所周知，理化知識來源于生活，與生活緊密相連，最終為生活服務(wù)。不同的物質(zhì)，其導(dǎo)電性能差異較大。導(dǎo)體電阻率很小，容易導(dǎo)電；絕緣體電阻率很大，不容易導(dǎo)電；還有一些材料的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體。導(dǎo)體和絕緣體并沒有絕對的界線，在一定條件下也是可以相互進行轉(zhuǎn)換的。那么，物質(zhì)的導(dǎo)電性能究竟與哪些因素有關(guān)呢？

二、物質(zhì)的導(dǎo)電性與本身材質(zhì)有關(guān)

物質(zhì)的導(dǎo)電性主要與本身材質(zhì)有關(guān)。按照物質(zhì)的導(dǎo)電性能優(yōu)劣一般把物質(zhì)分為三類：一是導(dǎo)體，如金屬、石墨、酸堿鹽溶液、人體、大地等；二是絕緣體，如橡膠、塑料、陶瓷、玻璃等；三是半導(dǎo)體，如硅（Si）、鍺（Ge）等。

（1）導(dǎo)體是指電阻率很小且易于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)。導(dǎo)體中存在大量可自由移動的帶電粒子，這些帶電粒子被稱為載流子。在外電場作用下，載流子作定向運動，形成明顯的電流。①金屬是最常見的導(dǎo)體之一。金屬原子最外層的價電子很容易掙脫原子核的束縛，而成為自由電子。金屬中自由電子的濃度很大，所以金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率通常比其他導(dǎo)體材料大。因此，金屬導(dǎo)體導(dǎo)電靠的是導(dǎo)體本身自由移動的電子來實現(xiàn)的。金屬導(dǎo)電過程中一般不引起化學反應(yīng)，也沒有顯著的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。金屬導(dǎo)體導(dǎo)電性能好，可做導(dǎo)線。②石墨是典型的非金屬導(dǎo)體。石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。石墨能夠?qū)щ娛且驗槭忻總€碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵，每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。而金剛石與石墨互為同素異形體，為何金剛石不導(dǎo)電呢？因為金剛石中碳原子的所有價電子都形成共價鍵而沒有自由電子，所以沒有導(dǎo)電性。因此，非金屬導(dǎo)體導(dǎo)電靠的也是導(dǎo)體本身自由移動的電子來實現(xiàn)的。③電解質(zhì)的溶液即電解液的熔融電解質(zhì)也是導(dǎo)體，其載流子是正負離子。比如，純凈水是不導(dǎo)電的，而自然界中的水因溶解有多種離子所以導(dǎo)電。比如人體是導(dǎo)體，因為人體組織中含有大量水分、礦物質(zhì)和電解質(zhì)，如體液中的氯化鈉、血液中的鐵離子等，所以人體會導(dǎo)電。醫(yī)生做人的心電圖、腦電圖就是依據(jù)此原理來做的。大地同樣是導(dǎo)體，也是因為地殼表層有大量水的存在，很多可溶性鹽溶解在水里，當然就形成導(dǎo)體了。因此，電解液導(dǎo)電是通過電解出來的離子定向移動產(chǎn)生電流。電解液在通電過程中伴隨有化學變化，且有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，它常應(yīng)用于電化學工業(yè)。

（2）不善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)稱為絕緣體。絕緣體又稱為電介質(zhì)，它們的電阻率極高，比金屬的電阻率大1014倍以上。如橡膠是絕緣體，一般不導(dǎo)電，可做導(dǎo)線包皮。

（3）半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性可受控制，是范圍在絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。如鍺、硅等，其電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間，且隨溫度的升高而迅速減小。這類材料中存在一定量的自由電子和空穴，后者可看作帶有正電荷的載流子。半導(dǎo)體在無線電、收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的應(yīng)用。用半導(dǎo)體材料制成二極管具有單向?qū)щ娦?，可用于整流，也可判斷電流方向?/p>

另外，很多新型材料的導(dǎo)電性也值得去探究，如鋼纖維混凝土。將一定量的鋼纖維添加到混凝土中，能夠使混凝土從高阻抗水泥復(fù)合材料變成導(dǎo)電性良好且力學性能優(yōu)越的水泥復(fù)合材料，即鋼纖維導(dǎo)電混凝土。若在高寒地區(qū)鋪設(shè)電熱橋面板，可用于融雪除冰。

三、物質(zhì)的導(dǎo)電性與電壓高低有關(guān)

許多物質(zhì)的導(dǎo)電性均與電壓高低有關(guān)。主要原因是由于其電阻率隨電壓的增加而逐漸減小，這一現(xiàn)象符合擊穿電壓的原理。即電介質(zhì)在足夠強的電場作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿，所對應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。這也說明導(dǎo)體和絕緣體的界限并不是一成不變的，它們在一定條件下也可以相互轉(zhuǎn)換。比如，電線包皮是絕緣體，在增加電壓或超負荷的情況下，會被“擊穿”，而轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。通常情形下，氣體也是良好的絕緣體。但在外加電壓的情況下，氣體被電離而成為導(dǎo)體，且常伴有發(fā)聲、發(fā)光等物理過程。日光燈和霓虹燈就是利用電離氣體導(dǎo)電原理制成的。又如我們常見的雷電現(xiàn)象，也是因為帶電云團之間或帶電云團與大地之間的電壓不斷升高擊穿空中氣體間隙而產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。

四、物質(zhì)的導(dǎo)電性與環(huán)境條件有關(guān)

物質(zhì)的導(dǎo)電性與環(huán)境條件密切相關(guān)。一是環(huán)境溫度影響。比如，某些金屬與合金導(dǎo)體對溫度比較敏感，電阻率隨溫度降低而減小。甚至在極低溫度下，某些金屬與合金的電阻率將消失而轉(zhuǎn)化為“超導(dǎo)體”，這個溫度就叫該超導(dǎo)體的臨界溫度?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)28種元素及幾千種合金和化合物可以成為“超導(dǎo)體”。 研究超導(dǎo)就是看到了它在輸電節(jié)能、交通運輸、微電子芯片、通信工程、生物工程等方面革命性的應(yīng)用前景。由于低溫超導(dǎo)體的臨界溫度太低，比如，汞的臨界溫度為-268.4℃，很難實際應(yīng)用。所以，對提升超導(dǎo)體臨界溫度的研究一直都比較熱門，至今已有多人因此獲諾貝爾獎，最高臨界溫度已提升到-70℃，但距廣泛運用前景仍有較長的探索之路要走。二是環(huán)境濕度影響。干燥的木材本身是良好的絕緣體，一旦受潮就變?yōu)閷?dǎo)體了。瓷磚也是絕緣體，但安裝在地面或墻面上時就不能看著是絕緣體了。原因是瓷磚鋪在地面上難免受潮氣的作用，瓷磚的絕緣性能是要大打折扣的，尤其是淋浴間的瓷磚幾乎就不絕緣了，所以漏電必觸電。三是其他條件影響。氯化鈉溶液是導(dǎo)體，當其中水分逐漸被蒸發(fā)掉變成氯化鈉晶體時，其導(dǎo)電性能就會消失。

五、結(jié)語

知識教會我們生活，生活實踐又對知識進行提升。物質(zhì)的導(dǎo)電性的探索與研究對生活中的安全用電非常重要。比如，用電線路及電氣設(shè)備絕緣性必須良好，燈頭、插座、開關(guān)等的帶電部分絕對不能外露；不超負荷用電；不要用潮濕抹布擦拭帶電的家用電器；特別是切忌電器失火時不要用水來滅。很多人認為水是火的天敵，只要看到火就用水滅，尤其是在廚房電器失火時，情急之下就用水滅火，不僅自身有觸電的危險，而且火越滅越大，損失慘重。電器失火時一定要冷靜，先斷電源，否則可能滅火時觸電。

參考文獻：

[1]王 泓.電學基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]鄭懷舟.物質(zhì)導(dǎo)電性實驗裝置的創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用價值[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（24）.

[3]韓端紅.試驗物質(zhì)導(dǎo)電性的另一方法[J].湖北中小學實驗室，1994（4）.

[4]魏文博，金 勝，葉高峰，等.大陸巖石圈導(dǎo)電性的研究方法[J].地學前緣，2003（1）.

[5]章明秋，曾漢民.導(dǎo)電性高分子復(fù)合材料[J].工程塑料應(yīng)用，1991（2）.

[6]薛麗丹.先聲奪人——《物質(zhì)的導(dǎo)電性》課堂引入教學案例[J].科技信息，2012（5）.

[7]鄭鋒士，王較過.物理導(dǎo)電性的認識發(fā)展[J].現(xiàn)代物理知識，2005（1）：58-61.

[8]王占國.半導(dǎo)體材料的過去、現(xiàn)在和將來（4）[J].中學生數(shù)理化（八年級物理）（人教版），2008（Z2）.