查看“︁電傳導”︁的源代码

{{refimprove|time=2015-08-27T02:31:41+00:00}}
{{NoteTA|G1=物理學}}
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'''電傳導'''（{{lang-en|electrical conduction}}）是指[[介質]]內，載[[電荷]]的粒子的運動。稱這些粒子為[[電荷載子]]。它們的運動形成了[[電流]]。這運動可能是因為感受到[[電場]]的作用而產生的，或是因為載子分佈的不均勻引發的[[擴散]]機制的結果。對於不同的物質，電荷傳輸的物理參數也不同。根据物质'''电传导性'''的不同可以分为[[导体]]和[[绝缘体]]。常见的导体有[[金属]]，[[电解质]]溶液或液体。常见的绝缘体有干燥的[[木材]]、[[塑料]]、[[橡胶]]。

[[歐姆定律]]明確地描述了[[金屬]]和[[電阻器]]的電傳導。歐姆定律闡明，電流與外加的電場成正比，在一個物質內，由於外加的電場 <math>\mathbf{E}\,\!</math> 而產生的電流密度 <math>\mathbf{J}\,\!</math> ，可以用方程式表達為
:<math>\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E}\,\!</math> ；

其中，<math>\sigma\,\!</math> 是物質的[[電導率]]；

或者，
:<math>\mathbf{E} =\rho \mathbf{J}\,\!</math> ；

其中，<math>\rho\,\!</math> 是物質的[[電阻]]，是 <math>\sigma\,\!</math> 的[[倒數]]。

在[[半導體]]元件裏，電傳導是由電場作用和[[擴散]]這兩種物理機制共同引發的。因此，電流密度可以表達為
:<math>\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E}+D\boldsymbol{\nabla}(qn)\,\!</math> ；

其中，<math>D\,\!</math> 是擴散常數，<math>q\,\!</math> 是[[電荷量]]，<math>n\,\!</math> 是電子的體積密度。

由於電子的電荷量是負值，載子是朝著電子密度遞減的方向移動。因此，對於電子，假若電子密度的梯度是正值，則電流是負值；假若載子是[[電洞]]，則必須將電子密度 <math>n\,\!</math> 改換為電洞密度 <math>p\,\!</math> 的負值：
:<math>\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E} - D\boldsymbol{\nabla}(qp)\,\!</math> ；

對於[[線性]][[異向性]]物質，<math>\sigma\,\!</math> 、<math>\rho\,\!</math> 、<math>D\,\!</math> ，都是[[張量]]。

==經典概念==
[[Image:Electrona_in_crystallo_fluentia.svg|thumb|300 px|right|德鲁德模型中的电子（蓝色）不断在较重的、静止的晶体离子中间（红色）撞來撞去。]]
設想外電場 <math>\mathbf{E}\,\!</math> 作用於某物體。在這物體內，電荷量為 <math>q\,\!</math> 的自由電子，感受到[[電場力]] <math>\mathbf{F}=q\mathbf{E}\,\!</math> ，會呈現[[加速度|加速運動]]。

沒有任何障礙阻止這運動，自由電子的速度會變得越來越大。然而，每經過一段時間 <math>t\,\!</math> ，自由電子會碰撞到其它原子的阻礙，使其速度回歸為[[熱速度]] ({{lang|en|thermal velocity}}) 。這樣，自由電子的運動會呈現不斷的加速與碰撞。每一次碰撞，累積的動量 <math>\mathbf{P}\,\!</math> 平均為
:<math>\langle\mathbf{p}\rangle = q \mathbf{E} t</math> ；

其中，角括弧代表平均程序。

所以，電流密度 <math>\mathbf{J}\,\!</math> 為
:<math>\mathbf{J}=nq\langle\mathbf{v}\rangle=nq\langle\mathbf{p}\rangle/m=\left( \frac{n q^2 t}{m} \right) \mathbf{E}\,\!</math> ；

其中，<math>n\,\!</math> 是電子密度，<math>\mathbf{v}\,\!</math> 是自由電子的平均速度，<math>m\,\!</math> 是電子質量。

這經典模型是由[[保羅·德鲁德]]於 1900 年提出，稱為[[德鲁德模型]]。從這模型得到了一個重要結果：電流密度與電場成正比，比例是物質的[[電導率]] <math>\sigma\,\!</math><ref>{{cite book 
| author = Neil W. Ashcroft 
| coauthors = N. David Mermin 
| title = Solid State Physics 
| url = https://archive.org/details/solidstatephysic00ashc
| publisher = Saunders College 
| year = 1976 
| pages = [https://archive.org/details/solidstatephysic00ashc/page/6 6]–7
| isbn = 0-03-083993-9}}</ref>
<ref>{{cite book | author=Griffiths, David J.|title=Introduction to Electrodynamics (3rd ed.)|pages=pp. 289| publisher=Prentice Hall |year=1998 |isbn=0-13-805326-X}}</ref> 。

==電解質==
在[[電解液]]裏的電流是載有電荷的[[離子|離子流]]。例如，施加電場於 [[鈉|Na]]<sup>+</sup> 和 [[氯|Cl]]<sup>–</sup> 的溶液。那麼，鈉離子會不斷地移向負極；而氯離子會往正極移動。在正常狀況下，[[氧化還原反應]]會發生於電極表面，將氯離子的電子釋放出來，經過導線傳輸到另外一端，讓電子被鈉離子吸收。

水-冰混和物和某些稱為[[質子導體]] ({{lang|en|proton conductor}}) 的固態電解質，含有可移動的[[氫正離子|正價氫離子]]。對於這些物質，電流是由移動的質子形成的。

在某些電解質混合物裏，一群鮮豔著色的離子形成了移動的電荷。這些離子的緩慢移動所形成的電流，可以用人眼直接地觀察到。

==氣體和電漿==
對於空氣和一些普通氣體，假設施加的外低於[[電擊穿|击穿电場]]阈值，電傳導的主要電荷載子是由[[放射性|放射性氣體]]、[[紫外光]]和[[宇宙射線]]造成的相當少數量的可移動離子。由於[[電導率]]非常低，氣體是[[電介質]]或[[絕緣質]]。但是，一當施加的外電場超過[[電擊穿|击穿]]值時，由於電場力的作用，自由電子呈加速運動，[[動能]]變得相當大，足夠以[[碰撞]]機制來製造更多的自由電子，或用[[雪崩击穿]]的機制將中性氣態原子或中子[[電離]]。這程序形成了[[電漿]]，含有很多的可移動的電子和正離子，使電漿的物理行為變得就像一個導體。這程序的傳導路徑上，會有光波發射出來，像[[電光]] ({{lang|en|spark}}) 、[[電弧]]、[[閃電]]等等。

[[電漿態]]是一種物質態。當氣體的[[分子]]或原子的一些電子被[[電離]]時，稱此狀態的物質為電漿。非常高的[[溫度]]，或強大的電場或磁場的作用，會產生電漿。由於電子的質量很小，當施加電場時，電漿的電子會比很重的正離子更快加速。大部分的電流是由電子形組成的。

==真空==
由於在[[理想真空]] ({{lang|en|perfect vacuum}}) 內，沒有任何[[帶電粒子]]，這種真空就好像[[理想絕緣體]]。但是，通過[[場致電子發射]] ({{lang|en|field electron emission}}) 或[[熱離子發射]] ({{lang|en|thermionic emission}}) 的機制，金屬的電極表面會發射[[自由電子]]或[[離子]]於真空，因而使得真空內的一部分區域變得具有傳導性。當熱能超過金屬的[[功函數]]時，就會產生熱離子發射，金屬會發射出熱離子。當金屬表面的電場有足夠的強度來引發[[量子穿隧效應]]時，就會出現場致電子發射，促使金屬原子射出電子於真空。

==參閱==
{{电磁学}}
*[[电导]]
*[[電導率]]

==參考文獻==
{{reflist}}

[[Category:电学|D]]
[[Category:電現象|D]]

[[cy:Dargludiad trydan]]
[[en:Electrical conduction]]
[[ta:மின்கடத்தி]]