1、八、导电原理 自由电子理论是在 100 年前为了解释金属传热、导电性能时而提出的.在本文自由电子置疑中，笔者已经用一个简单的实验否定了电子传热-否定了自由电子传热。金属的传热性能之所以很好，本文第五章已经叙述，金属的较好的传热性能是与其固体的构成相关-是由其独立的结构元，和结构元间电磁力相互影响所导致，而与自由电子完全无关。金属是靠自由电子传热的理论是一个即将被人们删除的错误。自由电子导电理论认为，金属是靠其内部的自由电子导电。这一理论尽管已流传了近百年，同时，也留下了疑虑重重：原子核带正电，电子带负电，原子核对核外电子有着巨大的吸引力-库仑力，自由电子的自由是从何而来？为什么有二个自由电子的
2、铁比一价的铜导电性能还要差些？为什么三价的铝又比二价的铁导电性能又要强些？面对（没有自由电子的）液体的导电、半导体导电，此说已显得无能为力，面对物体的超导事实，此说更是无计可施。于是有人就液体导电，增设了离子导电理论；就超导事实，增设了电子隧道理论，这样一来就使得导电的理论五花八门、更趋复杂、丧失系统。更令人质疑的是 100 年来还没有被其它途径证实自由电子的存在和作用。在第五、六章，读者已经了解到物体的构成：所有元素，不管是金属还是非金属，其原子的电子数是与核内的质子数一一对应的，是不可改变的。物质内不管其原子的内部或外层有几个电子，其电子有的是在内层轨道、有的是在价和轨道，每个电子都是在一
3、定轨道上运转，都从属于一个或二个核心，没有电子是所谓自由的，当然就不存在自由电子导电。那么，导电是怎么样形成的呢？导体为什么能够导电？半导体、液体为什么能导电？物质是靠什么导通电流呢？导电原理 电流是电子的定向流动，这就象水流是水的定向流动一样。这叫人联想到一个常用的中国词“流通“，通则流，不通则不流。水流不是因为该物体内有水(桶里的水，池塘里的水就不能形成水流)。除了压力差之外还必须得“通“-必须得有让水定向通过的空间(如渠道、管道等)；电流不是因为该物体内的电子有自由，除了电压差之外还必须得“通“-必须得有让电子定向通过的空间。那么，是什么使得物体能够导电？-是该物体内原子的最外层，即价和
4、电子层，因价和电子数量较少并且运转不够饱满（在平面运转，没能形成饱满的球状），在价和电子运转的同时，存在着能让外电子窜入的间隙和时机；存在着能让电子在其间穿越运动的空位，我们把原子外层所呈现的这种空位叫做电子空位。电子空位是电子流动的通路，有了这样的通路，外来的电子才能在其间运动，形成电子的流动-电流。导电原理是： 某物质的原子的价电子较少，外电子层不饱满，存在着电子空位，在电压的作用下外来的电子进入电子空位，多出的电子在电子空位间换位移动，形成电流。有了电子空位，才能形成通路，外来电子才能进入，才能在物质内定向运动形成电流。导体、半导体、液体导电都是如此，超导原理也是如此。电子空位是由价和电
5、子的数量、速率及线路所决定。金属原子外层电子较少，组合成结构元之后，每个原子的外层仅有一、二个价和运转围绕：铜、银等仅有一个价和运转围绕；铁、铬等原子则有二个价和运转围绕，原子的外层仍存在较多的电子空位，能容外来电子进入、换位，因而易于导电。在绝缘体内，因原子的价电子多，多个价和运转包围着一个原子，使原子的外电子层趋近饱和，没有电子空位(或很少)，不能容外界电子进入，因而不能导电。气态物质则是因为物质的价和电子速率过高，而且进行立体运转，一般不会产生电子空位，外电子不易进入。加之分子间的斥力较大，分子间距离太远，因而也不导电。只有极高的电压才能在其间冲开一条血路-闪电。液体的导电 金属熔化成液
6、态，铁熔化成铁水、铜熔化成铜水，按理说其自由电子会更加自由、导电能力应随之增加，然而事实恰恰相反。铜、锡熔化成液态，其导电能力比固态时要低得多。汞在低温条件下凝结成固体，其导电性能却大增。究其原因是，液态物质的价和电子速率较高，而且脱离了平面轨道，进行半立体运转，产生电子空位的机率较小，外电子不易进入，也不易于在其间换位流动。因而导电能力一般比固态时差。有些液体能导电，有些则不能。一般盐类物质的溶液导电能力较好，能导电的不是该液体内有“离子“，而是与固体物质的导电一样-是其间存在着电子空位。如食盐（NaCl）其钠原子外层只有一个价电子，存在着较大的电子空位，但在食盐晶体中钠原子处氯原子的包围之
7、中，氯原子有个价电子，外电子层饱满，外来电子难以进入，也难换位，故其电阻很大。食盐溶入水中，其晶体结构受到溶液的冲击损毁而解体，其结构元与水溶液均匀混合成链成团，钠原子不再受包围，外来电子能够进入其电子空位，通过钠原子的接力传递，外电子在其间换位移动形成电流，于是就形成了溶液的导电。那么水为什么不能导电呢？这是因为水的氢氧结构元的价和电子速率很高，从电线中来的外电子速率相对较低，难以钻入其间(这就象行人过不了车速很高的马路一样)，故而纯水不能导电。超导 1911 年荷兰著名物理学家卡梅林昂内斯首次将氮液化，获得了 4.6K（-268.4）的低温，一个奇妙的现象发生了！当昂内斯将金属汞置于低温液
8、氮中，发现汞的电阻急剧下降，直至消失，电阻为零！这在当时简直是不可思议。我们知道，自从人类发明了电，伴生的电阻就损耗了大量的电能，科学家们就一直在努力找寻电阻最低的材料，幻想着能够出现电阻为零的导电物质，这一天，幻想成了事实，奇迹真的出现了，于是科学界为之激动，开始了向低温世界的大举进军。在各国科学家的努力之下，现已发现了几百种金属、合金、化合物在低温条件下出现这种电阻几乎为零的导电特性，人们称这种现象为超导现象。超导现象总是在温度很低的条件下发生，人们把超导体发生超导现象时的温度称作临界温度。人为的制作低温是很麻烦的，显然，临界温度越高超导材料的应用就越方便，越有应用价值，于是世界各国的科研
9、大军又致力于研制高临界温度的超导材料。目前我国的实用超导材料的临界温度已达到-190，超导材料进入实用阶段已为期不远了。为什么这些金属或化合物在低温条件下会出现非凡的超导性能，各国的科学家都想揭开这个电阻为零的超导之谜，各种学说应运而生：有的说在产生了电子隧道；有的说是在低温条件下原子被冻僵了。但是隧道怎样产生，原子如何冻僵？难有交代。 本文所阐述的是核外电子的运转线路、速率，以及由此引起的物质的各种特性及其变化，超导的发生就是明显的特性变化。在前文“火红的说明“中就论述了核外电子的运转速率是与外界温度密切相关的，在此，物质的超导特性又与温度密切相关，再一次为此论点提供了例证。在很低的温度下，
10、物体的所有的价电子参入价和运转，运转线路是在固定的平面上，运转速率很低。达到临界温度，核心对外电子的管束不力，乃至原子的内层电子的运转也由空间进入到立交或平面运转，形成较大的空位。通电后，外电子进入，核心把外来的电子流当成自己所需求的电子一部分，用核心的库仑力（原子核吸引核外电子使电子绕核运转的力）去顺势输运它，让其在自己身边流过，于是外来电子不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。在顺序排列的原子核库仑力的接力输送下，电子直截在其间畅通无阻，形成了电阻为零的超导现象。由于超导时外来电子是核心边轻轻滑过，而且还得到了核心的输运，所以外来电子必须整齐有序、顺畅守纪。电子的流量（电流）一
11、不能过大、二不能冲击、三不能紊乱。因材料在超导时必须是在低温条件下，核心对外电子层的控制能力很弱，价和电子速率不高，物体的价和力、电磁力都很小。故而推断材料此时脆性大、强度低。4 价元素导电问题 写到这里有人会问：硅、锗、金刚石等物质的原子外层仅 4 个价电子，还有 4 个空位，那它们为什么不导电？石墨也是碳原子构成，它为什么又导电呢？这里需要说明的是：导电是物质的整体性能，不应以单个或几个原子的状态来认识整体；电子空位是电子在价和运动时出现的暂时效应，不能以静止的眼光来看待空位，亦不能以静止的眼光来看待物质的导电。在硅、锗晶体中每个原子与相邻的 4 个原子共用外层电子组成 4 个结构元，四周
12、的价和电子以较均匀的速率绕过核心而进进出出，从整体上看，其核外电子层是均匀饱满的，外来电子不易进入，所以它不导电(电阻很大)。石墨是由碳原子构成，其外层也有 4 个价电子，但是其晶体的构成是片状石墨晶格结构，每个原子与周围的 3 个原子组成 3 个结构元，进而结合成平面的蜂窝状结构。而另一价电子则在两平面间作价和运转，其原子的层间间距是平面间距的二倍多，层间价和电子在途时间较长，层间电子在途时，就形成了暂时的电子空位，这就使得核外电子层时挤时松，松时外来电子乘虚而入，并在其间换位移动，于是石墨就成了良好的导体。金刚石也是由碳原子构成，其外层的 4 个价电子构成紧凑稳定的金刚石结构，价电子整齐有
13、序的同步运行，不能形成电子空位，故而一般不导电。半导体导电原理 半导体一般是由 4 价的硅或锗为主体材料，它们的晶体结构也和金刚石一样，每个原子由 4 个价和运转在空间等距、有序环绕，构成金刚石结构，很纯的单晶硅基本不导电。型半导体 在纯硅晶体中加了少量的磷元素后，就形成了型半导体。5 价的磷原子镶嵌在硅晶体中，本来硅晶体的每个原子通过 4 个结构元相互联接，价和速率相同，而磷的 5 个价电子参入硅中价和运转，尚有一个电子无价和轨道，它杂混在其它价和轨道中，扰乱了原均匀的速率，使得整个晶体中的价和电子出现了拥挤和等待的紊乱现象，有许多瞬时价和电子因途中紊乱而没有到位，于是晶体中出现了临时性的电
14、子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率)，外来电子可乘虚而入，晶体的导电能力增加，形成的型半导体。型半导体 在硅晶体中加入少量的硼元素后，硼在价和结构中顶替了一个硅原子，因硼外层只有 3 个价电子，使得与硼相连的 4 个结构元中有一个是单电子串位，与这个结构元相连的 6 个结构元外端又连着 18 个结构元，这样电子空位呈 23 扩展，所以该晶体的导电能力也呈几何级数增加。电子空位扩展之后空位出现的时间越来越短，也就不成其为空位了。以上论述说明，不管是型还是型半导体，其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布引起价和电子紊乱运行所致，所出现的电子空位是瞬时的、随机的。这也导致了
15、半导体的“测不准“及温升，热敏等诸多物理性质。晶体管的结的实质是疏通或堵塞电子空位。二极管 把 N 型和 P 型半导体材料紧密结合起来，两端连上导线，就形成了半导体二极管。二极管最关键的部位在两种材料的结合处，人们称之为 P N 结。由于 N 型半导体是 5 价的磷镶嵌在硅晶体中，磷在以 4 价为主体的硅结构元的连接中，有多出的电子。而在 P 型半导体中是 3 价的硼在以硅为主体的结构元连接中，顶替了一个硅原子的位置，在整体上有缺少电子的趋势。把这两种晶体紧密结合：N 型半导体中多出的电子向缺少电子的 P 型半导体中扩散。这样，在结合部附近，各结构元的价和电子数正好达到平衡，（图 8-1）每个
16、原子周围的价和电子平稳运转，没有了电子的紊乱和等待，也就没有了电子空位。这就是在不导电时的 P N 结。多出电子 缺少电子N 区 P N 结 P 区图 8-1如果在外电压作用下，电子流趁电子空位从 P 极进入，到了 P N 结处没有了空位，运动受阻，外来电子在 P 型晶体内，把更多的缺电子的价和线路都填满，使更多的结构元达到价和运转的平衡，即填满了更多的电子空位，使无电子空位的地带变得更宽，电阻更大。所以从P 极进入的电子填平了电子空位，没有了电子空位,所以此路不通。在二极管上加上相反的电压，（由 N 向 P ）外电子从N 极因价电子多出，而造成价和运转紊乱所形成的电子空位进入，外电子的到来，
17、更加剧了 N 区价和电子运动的紊乱，多出的电子涌向 P N 结，打破了 P N 的平衡，使得 P N 结的电子运转也出现紊乱；出现了因拥挤等待所产生的电子空位。更多的电子挤入了空位，通过了 P N 结（实际上这时 P N 结已不存在）涌向 P 区的电子空位，形成电流。综上述，电子由 P 区向 N 行不通，而由 N 向 P 则势如破竹，这样，就形成了二极管的单向导电性能，由于二极管有羚性，所以二极管可以用来整流、检波（截断反向电流）还可以利用二极管反向电阻大，在电路中起隔离作用。晶体管 晶体管的全称是晶体三极管，它是由二个 P N 结所构成的半导体器件。如果两边是 P 型晶体，中间夹着N 型晶体
18、，则称之为 P N P 型晶体管。如果中间是 P 型晶体，则称作 N P N 型晶体管。晶体管的中间部分叫做基区，由此引出基极，两头分别为集电极和发射极。晶体管基区做得很薄，非 4 价元素掺和得较少，故电子空位较少。而发射区掺和的非 4 价元素比基区多得多，在正常使用情况下，发射区单位体积的电子空位比基区多 100 倍以上。N 型与 P 型材料的结合部位，多出电子的 N 区向缺少电子的 P 区局部扩散，形成了两个 P N 结。如果基极不接通电流，那么从集电极到发射极之间的电流在 P N 结的阻挡下，电阻很大，电流趋近于零。如果基区接通电路，电子将从 N 区进入，流向 P 区。在 P N P 型
19、晶体管中，电子由基极进入，在电压的作用下流向发射极，其原理与二极管相同。（如图 8-2 左）即由N 向 P 的 P N 结，在多出的电子的紊乱的运动中形成电子空位，形成外来电子的通路，形成基极电流。与此同时，由于 N 区电子多出且紊乱，又由于 P 区的电子空位的密度比 N 区多上百倍，且 N 区做得很薄。这 N 区的紊乱电子随即扰乱了上游的 P N 结（即由集电极与基极间的 P N 结）使这个 P N 结的电子顺势流动，于是这上游的 P N 结又形成了电子空位，形成了电流的通路。集电极 基极 发射极 集电极 基极 发射极 P N P 型晶体管 图 8-2 N P N 型晶体管由于发射区电子空位
20、密度比基区多上百倍，绝大部分电子由此通过，所以其电流比基极电流大得多，而且是随基极电流成比例增大，这样就形成了晶体管的放大效应。N P N 型晶体管的导电，是电子首先由集电极 N 区进入，由基极 P 区流出，情同二极管。由于中间 P 区很薄，基极的电子流出，扯动了下游 P N 结的电子，使下游 N 区少量电子也向 P 区移动，造成了 P N 结地带的电子运动紊乱，下游的 P N 结基本消失，从集电极来的电子趁紊乱所形成的电子空位进入发射区，由于发射区电子空位多，电子运动通畅，形成了主电流。根据工艺配方的不同，主电流一般要比基极电流大几十倍乃至一百多倍。同时不同的工艺配方，也决定了晶体管的其它各
21、项性能参数。电阻 物质内的电子空位多，外电子易于进入，并且易于在其原子间换位流动，该物质的导电能力就强，电阻较小。如银、铜的核外层价电子仅个，相应地电子空位多，故导电能力强。铝只有最外层的一个价电子参入价和运转，所以和铜一样，电子空位较多，导电能力亦很好。此外，若价和电子速率低，外电子在换位流动中受阻概率小，该导体的电阻就小。当外界温度降低，导体的原子核最外层电子-价和电子在稳定平面运转，电子速率减慢，这样，外来电子易于进出换位，故温度降低时导体的导电能力增加、电阻小。反之，若温度升高、价电子速率增快、运转线路往往超出平面，使得空位存在时间越来越短，外来电子进入及换位受阻概率增加，因而导电率下
22、降。而在半导体中，电子空位是由于价和电子速率紊乱所致，温度升高电子速率增加，也就加剧了半导体内价和电子运行的紊乱程度，因而使得电子空位增加，导电能力增加。外电子趁半导体内的紊乱进入其间，换位流动，“挤“出一条通路。当电流过大时，价和电子紊乱加剧，核心则有失掉电子的危机，于是核心升温，增加对电子的控制(这就形成了半导体导电的升温现象)。有少数电子被吸引到核心周围脱离价和运转，这时价的原子只有个电子参入价和运转，这就象在硅晶体中增加了价的硼原子一样，使得半导体内电子空位大增，导电率也随之增加。发电原理 人们利用水能、风能、燃料、原子能作为动力，推动着世界各地的发电机日日夜夜不停地运转着，发电机的导
23、线分分秒秒不知疲倦地切割着磁力线，把电流源源不断地送往各行各业、千家万户。电流在导线内是如何产生的，为何闭合的导线切割磁力线就能发电？试验证明，电子在磁场的作用下就能发生运动，若导线中充满了自由电子，那么，这种闭合导线放到磁场里，电流就会自动不断地产生。然而事实并非如此：导线不作切割磁力线的运动，电流无论如何也不会产生。而且闭合导线在作切割磁力线时会遇到一定的阻力，这阻力何来？为什么导线克服阻力运动后电子才会流动？在第五章我们讲到，金属（铜，银等）的原子只有一个价电子，二个原子组合成一个结构元，组成这个结构元的价电子在价和运转时，伴生着较强的电磁力，使无数个结构元就象无数个小磁铁。小磁铁在空间
24、上下、左右对应整齐排布形成并维系着其金属的固体结构。当金属置于磁场中时，部分价和电子立即调整方位，“小磁铁“既结合金属的固体结构；又与外部磁力达到平衡，没有电流产生。此时若把导线顺着（不切割）磁力线方向运动，这种平衡维持不变，也不会产生电流。此时若让导线作切割运动，这种平衡就要遭到破坏，导线内部结构元的电磁力就会竭力维持平衡，可以想象是无数个小磁铁与外磁场发生的斥力，这就是切割运动时的阻力。当使导线作切割运动的外力较大时，打破了无数小电磁力与外磁场的平衡，结构元的电磁力抵御不了外力，于是在导线移动之时就导致了价和轨道的翻转、电子的调位再组合，就在这翻转重组的同时，在外磁场力作用下，电子移动换位
25、，形成电流。因为磁力线也是由物质的结构元所产生，虽然很密，从微观上讲，其间还是有间隙，若上述导线的切割运动是连续进行，则电子就不断进行翻转、复原、翻转运动，电流就源源不断。若导线向相反方向运动，则电流方向相反。若导线运动快，使得流动的电子增多，电流强度增大。当然，切割的线速度也不能太快，太快了超过了价和电子的反应速度，则不能产生更大的电流，反而使电子的运动出现紊乱，使导线发热、电阻增大。发电机飞旋的结果是产生了强大的电流-电能，电能实际上也是电子运动的动能，是电子在结构元之间运动的动能。联想到第三章所述，化学能、热能都是核外电子运动的动能，这样，使能量的概念更加和谐系统。电能、热能、化学能之间的相互转换是有其内在的联系的。燃料电池、蓄电池的发电蓄电机理也在于此。
