第2节 导体、绝缘体和电流
# 1. 自由电子
不同类型原子的电子具有不同的移动自由度。对于某些类型的材料，例如金属，原子中最外层的电子是如此松散地束缚，以至于它们在该材料的原子之间的空间中无序地移动，只不过是受到室温热能的影响。因为这些实际上未结合的电子可以自由地离开它们各自的原子并漂浮在相邻原子之间的空间中，所以它们通常被称为自由电子。
# 2. 导体与绝缘体
在玻璃等其他类型的材料中，原子的电子几乎没有自由移动。虽然诸如物理摩擦之类的外力可以迫使其中一些电子离开它们各自的原子并转移到另一种材料的原子上，但它们不会很容易地在该材料内的原子之间移动。
# 2.1. 电导率
这种电子在材料中的相对迁移率称为电导率。电导率取决于材料中的原子类型（每个原子核中的质子数决定了其化学特性）以及原子如何相互连接。具有高电子迁移率（许多自由电子）的材料称为导体，而具有低电子迁移率（很少或没有自由电子）的材料称为绝缘体。以下是一些常见的导体和绝缘体示例：
# 2.2. 导体
- 银
- 铜
- 金子
- 铝
- 铁
- 钢
- 黄铜
- 青铜
- 汞
- 石墨
- 脏水
# 2.3. 绝缘体
- 玻璃
- 橡皮
- 油
- 沥青
- 玻璃纤维
- 瓷
- 陶瓷制品
- 石英
- （干）棉
- （干）纸
- （干）木头
- 塑料
- 空气
- 钻石
- 纯净水
必须理解，并非所有的导电材料都具有相同的导电性，也不是所有的绝缘体都对电子运动具有同等的抵抗力。电导率类似于某些材料对光的透明度：容易“传导”光的材料称为“透明”，而那些不易“传导”的材料称为“不透明”。然而，并不是所有的透明材料都具有同样的光导率。窗户玻璃比大多数塑料好，当然也比“透明”玻璃纤维好。电导体也是如此，有些比其他更好。
例如，银是“导体”，是这个列表中最好的导体，它比引用的任何其他材料更容易让电子通过。脏水和混凝土也被列为导体，但这些材料的导电性远低于任何金属。
还应该理解，一些材料在不同条件下会经历其电性能的变化。例如，玻璃在室温下是一种非常好的绝缘体，但在加热到非常高的温度时会变成导体。空气等气体，通常是绝缘材料，如果加热到非常高的温度，也会变得导电。大多数金属在加热时会变成较差的导体，而在冷却时会变成更好的导体。许多导电材料在极低的温度下变得完全导电（这称为超导性）。
# 3. 电子流/电流
虽然导体中“自由”电子的正常运动是随机的，没有特定的方向或速度，但可以影响电子以协调的方式通过导电材料移动。电子的这种匀速运动就是我们所说的电流或电流。更准确地说，它可以被称为动态电而不是静电，这是一种不动的电荷积累。就像水流过管道的空隙一样，电子能够在导体原子内部和之间的空隙中移动。导体在我们看来可能是固体，但任何由原子组成的材料大多是空的！液体流动的类比非常合适，以至于电子通过导体的运动通常被称为“流动”。
在这里可以值得注意的是当每个电子均匀地穿过导体时，它会推动它前面的那个，这样所有的电子就会作为一个组一起移动。即使每个电子的运动可能非常缓慢，从导体的一端到另一端，通过导电路径长度的电子流的开始和停止实际上是瞬时的。一个近似的类比是一个端对端填充弹珠的管子：
- Tube 管道
- Marble 弹珠
管子里装满了弹珠，就像导体里装满了随时可以被外部影响移动的自由电子一样。如果一个弹珠突然插入左侧的满管中，另一颗弹珠将立即尝试从右侧的管中退出。尽管每个弹珠只行进了很短的距离，但不管管子有多长，通过管子的运动传递实际上是从左端到右端的瞬间。有了电，从导体一端到另一端的整体效应以光速发生：每秒 186,000 英里！然而，每个单独的电子以慢得多的速度穿过导体。
# 4. 电子流过导线
如果我们想让电子按某个方向流到某个地方，我们必须为它们提供正确的移动路径，就像管道工必须安装管道让水流到他或她想要的地方一样。为了促进这一点，电线由各种尺寸的高导电金属制成，例如铜或铝。
请记住，只有当电子有机会在材料原子之间的空间中移动时，它们才能流动。这意味着只有在存在导电材料的连续路径的情况下才能存在电流，该路径为电子提供穿过的管道。在弹珠的类比中，当且仅当管在右侧打开以便弹珠流出时，弹珠可以流入管的左侧（并因此通过管）。如果管子右侧被堵住，弹子只会在管子内“堆积”，而弹子不会“流动”。电流也是如此：电子的连续流动需要有一条完整的路径来允许该流动。让我们看一个图表来说明它是如何工作的：
细实线（如上所示）是连续导线的常规符号。由于导线由铜等导电材料制成，其组成原子具有许多自由电子，可以很容易地通过导线移动。但是，除非它们有来源和去处，否则在这条导线中永远不会有连续或均匀的电子流。让我们添加一个假设的电子“Source”和“Destination：”
- Electron Source 电子源
- Electron Destination 电子目的地
现在，随着电子源将新电子推入左侧的导线中，可以发生通过导线的电子流（如从左到右的箭头所示）。但是，如果电线形成的导电路径被破坏，流动就会中断：
- break 中断
- No Flow 不流动
# 5. 电气连续性
由于空气是一种绝缘材料，并且两根导线之间存在气隙，因此曾经连续的路径现在已被打破，电子无法从源头流向目的地。这就像将水管切成两半并盖住管道的破损端：如果管道没有出口，水就无法流动。在电气方面，当电线一体成型时，我们有一个电气连续性的条件，而现在这种连续性随着电线的切割和分离而中断。
如果我们要使用另一条通向目的地的电线并简单地与通向源的电线进行物理接触，我们将再次拥有一条连续的电子流动路径。图中的两个点表示线段之间的物理（金属对金属）接触：
现在，我们有从源头到新建立的连接，向下，向右，再到目的地的连续性。这类似于将“三通”配件放入其中一个封盖的管道中，然后将水通过一段新的管道引导至目的地。请注意，右侧的断线段没有电子流过，因为它不再是从源到目的地的完整路径的一部分。
有趣的是，由于这种电流，电线内不会发生“磨损”，这与输水管道不同，输水管道最终会因长时间的流动而腐蚀和磨损。然而，电子在移动时确实会遇到某种程度的摩擦，这种摩擦会在导体中产生热量。这是我们稍后将更详细地探讨的主题。
# 6. 总结
- 在导电材料中，每个原子中的外层电子可以很容易地进出，被称为自由电子。
- 在绝缘材料中，外层电子不能自由移动。
- 所有金属都是导电的。
- 动态电流或电流是电子通过导体的匀速运动。
- 静电是静止的（如果在绝缘体上），是由物体中的电子过多或不足形成的累积电荷。它通常由不同材料的接触和分离引起的电荷分离形成。
- 为了使电子连续（无限期地）流过导体，必须有一条完整的、不间断的路径供它们进出该导体。
# 7. 参考
Conductors, Insulators, and Electron Flow (opens new window)
Lessons in Electric Circuits (opens new window)
# 9. 总目录
一次校对：向导协作团队 --- 李坤 (opens new window)