固体的导电性

不同的固体有不同的导电特性,通常用电导率来量度它们的导电能力。电导率的定义是对固体施加的电场强度与固体内电流密度的比值。实验研究指出:在不太强的电场下固体的电导通常服从欧姆定律，即电流密度与电场强度成正比,是与电场强度无关的。对于立方晶体或非晶态材料来说,电导率是各向同性的，是一个标量。在一般情况下,电导率可能是各向异性的,应该用一个二阶张量表示。电导率的单位是欧·厘米。在许多情况下，电导率的倒数是一个使用起来更方便的量，称之为电阻率，用表示。

根据电导率的数值及其与温度的依赖关系，大致把固体分为三类:金属、半导体和绝缘体，下面依次作简要的说明。

金属 金属具有良好的导电性,其电导率在10欧·厘米以上。金属中的电流密度可写成电子电荷、电子的平均漂移速度尌和电子浓度的乘积,即。可定义电子平均速度与电场强度的比值为电子迁移率。这样一来，电导率可表为=。在欧姆定律成立的条件下，迁移率与电场强度无关，决定于材料的性质。最早提出的金属导电理论是P.K.L.德鲁德的经典理论。假定金属中价电子在电场中以同样方式运动，通过碰撞与组成点阵的离子实交换能量;在两次碰撞之间，电子被电场加速。电子在碰撞与加速这两种作用之下，具有一定的平均速度，即一定的迁移率，从而能解释欧姆定律。类似的考虑应用到热导理论，可以解释维德曼-夫兰兹定律，但德鲁德的理论不能解释金属电导率与温度的依赖关系，也不能解释电子具有几百个原子间距的长自由程的实验事实。这些矛盾直到人们用量子理论系统地研究了电子在晶体中运动的能带理论才得到了解决(见固体的能带)。能带论指出，导体、半导体、绝缘体导电性是由于它们的能带结构不同造成的。金属导体具有未被电子填满的能带，这种带中的电子能起导电作用，称为导带。能带理论还指出，在严格的周期性势场中，电子可保持处于某个本征态，且不随时间改变，也就是说，在严格的周期性势场中电子具有无限长的自由程，不会受到散射。因此，金属中的电阻并不是由于电子与周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置附近的热振动(点阵振动)。使严格的周期性势场遭到破坏，引起散射的结果。考虑了电子与点阵振动的相互作用，即电子-声子相互作用之后，理论才很好地解释了电导率与温度的关系，以及电子具有几百个原子间距的长自由程的实验事实。经验表明，金属的电阻率与温度的关系大致上可用一个普适函数

来表示, 式中是一个特征函数，接近于德拜温度(见德拜模型)，是绝对温度。函数在高温时趋于1,低温下正比于(/)。即在高温时，电阻率正比于,低温下正比于。

不仅电子与点阵振动相互作用是固体电阻的起因，点阵的不完整性，如缺陷、杂质的存在也破坏了严格的周期性势场，也是电阻的起因。这种原因引起的电阻一般与温度无关，在低温下这部分电阻保持不变，不会消失，称为剩余电阻。如图所示，为钠在低温时由于点阵缺陷散射机制引起的剩余电阻。有些金属和合金，在极低温度下电阻率会突然降到零，在此转变温度下的物质叫做超导体(见超导电性)。

固体的导电性 半导体 半导体的电导介于金属和绝缘体之间。对于本征半导体,在绝对零度时,它只有完全被电子填满的价带和全空的导带,二者之间存在着一个带隙,或称禁带(见固体的能带)。当温度升高时，有少量电子从价带激发到导带，产生能导电的电子和空穴，载流子浓度与温度有关，其电导率随温度的变化可近似表示为e，是常数，是绝对温度。对于掺杂半导体的电导，以及半导体的导电中其他问题，见半导体物理学。

绝缘体 通常把电导率小于10欧·厘米的材料称作绝缘体。从能带理论的观点来看，绝缘体与半导体的区别仅在于绝缘体的禁带宽度比半导体大，因此绝缘体中载流子浓度非常小，决定了绝缘体的电导率很小。

离子晶体和非导态固体 对某些离子晶体，还存在另一种导电机制──离子导电。它是靠外电场作用下正负离子的移动引起电流的。通常，离子电导率很小。

上述的固体电导都是指晶态固体，对于非晶态固体的电导还有自己的特点，见非晶态材料、非晶态半导体、非晶态电介质。

综述:

不同的固体有不同的导电特性,通常用电导率σ来量度它们的导电能力。电导率的定义是对固体施加的电场强度E与固体内电流密度J的比值。实验研究指出:在不太强的电场下固体的电导通常服从欧姆定律，即电流密度与电场强度成正比,σ是与电场强度无关的。对于立方晶体或非晶态材料来说,电导率σ是各向同性的，是一个标量。在一般情况下,电导率可能是各向异性的,应该用一个二阶张量表示。电导率的单位是S/m。在许多情况下，电导率的倒数是一个使用起来更方便的量，称之为电阻率，用ρ表示，单位是Ω·m。

根据电导率的数值及其与温度的依赖关系，大致把固体分为三类:金属、半导体和绝缘体，下面依次作简要的说明。

金属具有良好的导电性,其电导率在10 Ω·cm以上。金属中的电流密度J可写成电子电荷e、电子的平均漂移速度尌和电子浓度n的乘积，即可定义电子平均速度与电场强度E的比值为电子迁移率。这样一来，电导率σ可表为σ=neμ。在欧姆定律成立的条件下，迁移率μ与电场强度无关，决定于材料的性质。最早提出的金属导电理论是P.K.L.德鲁德的经典理论。假定金属中价电子在电场中以同样方式运动，通过碰撞与组成点阵的离子实交换能量;在两次碰撞之间，电子被电场加速。电子在碰撞与加速这两种作用之下，具有一定的平均速度，即一定的迁移率，从而能解释欧姆定律。类似的考虑应用到热导理论，可以解释维德曼-夫兰兹定律，但德鲁德的理论不能解释金属电导率与温度的依赖关系，也不能解释电子具有几百个原子间距的长自由程的实验事实。这些矛盾直到人们用量子理论系统地研究了电子在晶体中运动的能带理论才得到了解决(见固体的能带)。能带论指出，导体、半导体、绝缘体导电性是由于它们的能带结构不同造成的。金属导体具有未被电子填满的能带，这种带中的电子能起导电作用，称为导带。能带理论还指出，在严格的周期性势场中，电子可保持处于某个本征态，且不随时间改变，也就是说，在严格的周期性势场中电子具有无限长的自由程，不会受到散射。因此，金属中的电阻并不是由于电子与周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置附近的热振动(点阵振动)。使严格的周期性势场遭到破坏，引起散射的结果。考虑了电子与点阵振动的相互作用，即电子-声子相互作用之后，理论才很好地解释了电导率与温度的关系，以及电子具有几百个原子间距的长自由程的实验事实。经验表明，金属的电阻率与温度的关系大致上可用一个普适函数来表示, 式中ΘR是一个特征函数，接近于德拜温度(见德拜模型)，T是绝对温度。函数f在高温时趋于1，低温下正比于(T/ΘR)。即在高温时，电阻率正比于T，低温下正比于T。

不仅电子与点阵振动相互作用是固体电阻的起因，点阵的不完整性，如缺陷、杂质的存在也破坏了严格的周期性势场，也是电阻的起因。这种原因引起的电阻一般与温度无关，在低温下这部分电阻保持不变，不会消失，称为剩余电阻。如图所示，为钠在低温时由于点阵缺陷散射机制引起的剩余电阻。有些金属和合金，在极低温度下电阻率会突然降到零，在此转变温度下的物质叫做超导体(见超导电性)。

半导体的电导介于金属和绝缘体之间。对于本征半导体，在绝对零度时，它只有完全被电子填满的价带和全空的导带，二者之间存在着一个带隙，或称禁带(见固体的能带)。当温度升高时，有少量电子从价带激发到导带，产生能导电的电子和空穴，载流子浓度与温度有关，其电导率随温度的变化可近似表示为σ∝e，A是常数，T是绝对温度。对于掺杂半导体的电导，以及半导体的导电中其他问题，见半导体物理学。

从能带理论的观点来看，绝缘体与半导体的区别仅在于绝缘体的禁带宽度比半导体大，因此绝缘体中载流子浓度非常小，决定了绝缘体的电导率很小。

对某些离子晶体，还存在另一种导电机制──离子导电。它是靠外电场作用下正负离子的移动引起电流的。通常，离子电导率很小。

上述的固体电导都是指晶态固体，对于非晶态固体的电导还有自己的特点，详见非晶态材料、非晶态半导体、非晶态电介质。

导电性复合纤维，在制造过程中不产生成分剥离，长期使用时仍保持初期的导电性能，而且染色牢固度优良。将含有15-50重量%导电性炭黑的导电性聚酰胺层(A)和由特定组成的聚酰胺形成的保护聚合物层(B)进行复合，使导电性聚酰胺层(A)露出纤维表面，其表面露出部分的数量，每1单丝有3处以上，每1个纤维断面周长方向上的露出距离L↓[1](μm)满足下式，而且，保护聚合物层(B)占纤维面周长的60%以上，纤维总重量的50-97重量%。0.1≤L↓[1]≤L↓[2]/10(1)L↓[2]∶1根单丝纤维的断面周长(μm)。

其特征是由导电性聚合物层(A)和保护聚合物层(B)形成的导电性复合纤维，而导电性聚合物层(A)是由含15~50重量%导电性炭黑的热塑性聚酰胺形成，保护聚合物层(B)是由熔点在170℃以上的热塑性聚酰胺形成，由任意纤维断面看时，导电性聚合物层(A)在纤维表面上露出3处以上，每一个露出处的露出距离L↓[1](μm)满足下式(1)，且保护聚合物层述。