第1节 电导和导体简介(修订中)
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到目前为止，您应该很清楚电导率与某些类型的材料之间的相关性。那些允许自由电子容易通过的材料称为_导体 (opens new window)，而那些阻碍自由电子通过的材料称为_绝缘体。
不幸的是，解释为什么某些材料导电而其他材料不导电的科学理论非常复杂，其根源在于电子如何围绕原子核排列的量子力学解释。与众所周知的电子围绕原子核旋转的“行星”模型相反，它是圆形或椭圆轨道中定义明确的物质块，“轨道”中的电子根本不像物质碎片。相反，它们表现出粒子和波的特性，它们的行为受到位于核周围不同区域（称为“壳”和“亚壳”）的限制。取决于特定区域以及该区域被其他电子占据的程度，电子只能在有限的能量范围内占据这些区域。如果电子真的像小行星一样通过静电引力保持在围绕原子核的轨道上，它们的作用由描述真实行星运动的相同定律描述，那么导体和绝缘体之间就没有真正的区别，原子之间的化学键也不会以他们现在的方式存在。正是量子物理学描述的电子能量和位置的离散、“量化”性质赋予了这些现象它们的规律性。
# 1. 激发态原子
当电子在原子核周围自由地呈现更高的能量状态时（由于它位于特定的“壳”中），它可以自由地脱离原子并构成通过物质的电流的一部分。
# 2. 基态原子
然而，如果强加在电子上的量子限制否定了它的这种自由，那么电子就被认为是“束缚的”并且不能（至少不容易）脱离以构成电流。前一种情况是典型的导电材料，而后一种情况是典型的绝缘材料。
一些教科书会告诉你，元素的电导率完全取决于原子外“壳”（称为_价_壳）中的电子数量，但这是过于简单化了，因为任何对电导率与价电子的检查元素表将确认。当考虑分子的电导率（通过电子活动相互结合的原子集合）时，情况的真正复杂性将得到进一步揭示。
碳元素就是一个很好的例子，它由导电率差异很大的材料组成：石墨和金刚石。石墨是一种公平的电导体，而金刚石实际上是一种绝缘体（奇怪的是，它在技术上被归类为_半导体 (opens new window)_，它在其纯粹的形式中充当绝缘体，但可以在高温和/或杂质的影响下导电） . 石墨和金刚石都由完全相同类型的原子组成：碳，各有 6 个质子、6 个中子和 6 个电子。石墨和金刚石之间的根本区别在于，石墨分子是碳原子的扁平组，而金刚石分子是四面体（金字塔形）碳原子组。
有意将杂质引入本征半导体以改变其电学、光学和结构特性的行为称为**掺杂**。如果碳原子与其他类型的原子结合形成化合物，则电导率会再次发生变化。碳化硅是一种元素硅和碳的化合物，表现出非线性行为：其电阻随着施加电压的增加而降低！碳氢化合物（例如油中的分子）往往是非常好的绝缘体。如您所见，原子中价电子的简单计数不能很好地指示物质的电导率。
由于原子相互结合的方式，所有金属元素都是良好的电导体。组成大量金属的原子的电子在其允许的能量状态下是如此不受抑制，以至于它们在物质的不同原子核之间自由浮动，很容易受到任何电场的驱动。事实上，电子是如此移动，以至于科学家有时将它们描述为_电子气_，甚至是原子核所在的_电子海。_这种电子迁移率解释了金属的其他一些常见特性：良好的导热性、延展性和延展性（很容易形成不同的形状），以及纯净时的光泽。
值得庆幸的是，这一切背后的物理原理与我们在这里的目的几乎无关。可以说有些材料是良导体，有些是不良导体，有些介于两者之间。现在只要简单地理解这些区别是由材料组成原子周围的电子配置决定的就足够了。
让电力来完成我们的竞标的一个重要步骤是能够构建电流在可控量的电阻下流动的路径。同样至关重要的是，我们能够通过使用绝缘材料来防止电流流向我们不希望它流向的地方。然而，并非所有的导体都是相同的，也不是所有的绝缘体。我们需要了解常见导体和绝缘体的一些特性，并能够将这些特性应用到特定的应用中。
几乎所有导体都具有一定的可测量电阻（称为_超导体_的特殊类型的材料绝对没有电阻，但这些不是普通材料，它们必须在特殊条件下保持超导）。通常，我们假设电路中导体的电阻为零，并且我们期望电流通过它们而不会产生任何明显的电压降。然而，实际上，无论我们是否希望电压降存在，沿着电路的（正常）导电路径几乎总是存在电压降：
为了计算任何特定电路中的这些电压降，我们必须能够确定普通电线的电阻，知道电线的尺寸和直径。本章的以下部分将详细介绍如何执行此操作。
# 3. 总结
- 材料的电导率由材料原子和分子（键合原子组）中的电子配置决定。
- 所有普通导体都具有一定程度的电阻。
- 流过具有（任何）电阻的导体的电流将在该导体的长度上产生一定量的电压降。
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