逍遥右脑 2018-10-17 11:13
晏成和
从中学到大学，所有的教科书上都写到：“金属体内充满着由自由电子，金属导体是靠其内部的自由电子传热、导电。”这百年导电理论对电压的形成都狡黠地回避，对电阻的形成更是闭口不谈，留下了一百年的疑虑：
物质原子有1、2、3个价电子是自由电子，
有4、5、6、7个价电子物质的电阻很大，电子多了为什么会失去自由？
自由电子的自由是从何而来？
为什么有二个自由电子的铁比一价的铜的电阻要大？
为什么三价的铝又比二价的铁的电阻又小些？
看来价电子数量与物质的导电能力与电阻没有什么逻辑联系。
导电性能是物质的一个重要物理特征，人们依据导电能力把物质分为导体、半导体、绝缘体和超导体。面对不同物质的导电性能，各专业学者分别建立了不同的导电理论：面对金属导电建立了自由电子导电理论，半导体导电靠自由电子与空穴，液体导电是靠离子，超导靠的是库伯电子对理论。
自由电子、空穴、离子等被命名为载流子。就这样，现有的导电学说就是发现一类导电物质，就命名一种载流子，就对应建立一套自圆其说的导电理论。这种用分别探索、各自建立的互不相关的理论，如同盲人摸象，丧失了系统性、逻辑的一致性，显然不是自然物质导电的客观实在，是猜想和胡编乱造的大拼盘。
在前文的论述中，读者已经了解到不管是金属还是非金属，原子的核外电子数是与核内的质子数一一对应的，是不可改变的。没有电子是所谓自由的，即：金属内没有自由电子。有人会问，金属内若是没有了自由电子，那么，在金属导体内传导电流的不是自由电子又是什么？物质是靠什么导通电流，的确是一个值得反思的问题。
电流是在闭合导体内、电子在电压的作用下的定向流动。就像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，而是因为“通”——因为原子外层有 “通路”，首先能让电压波在其间传输——信息通，其次，还必须得有让电子定向通过的通路——空间位置通，然后才能形成电子在其间的流动——电流。
导体与绝缘体的本质差异在于能否导通电压，能传导电压是导体的显著特征，物质有无导电能力与能否导通电压息息相关。
那么，是什么使得物体能够导通电压？——是该物体原子的最外层，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），在原子体周边，存在着能让电压波在其间穿行、传导的通路；存在着能让外电子窜入的间隙和时机；存在着能让电压波及电子在其间通行穿越的空位。
我们把原子外层所呈现的这种空位叫做电子空位。电子空位是电压波传导通路，也是电子流动的通路。有了这样的通路，电压波才能在其间传导，电子才能在其间换位运动，形成电子的宏观流动——电流。
导电原理是：某物质原子的价电子较少，外电子层不饱满，存在着电子空位、存在着电压波在其间传导的通路，在电压波作用下，电子在连成回路的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，各种电压波才能在其间传导，电子才能在电压波的驱使下在其间换位运动形成各种电流。直流，交流，各种波形、各种频率的电流都必须在电子空位间传导。
明确了导电原理，电阻的构成也就明晰：电阻是物质内电子通路通畅的程度。即物质内电子通路的宽窄和开通的时机。
如果把电流比喻为公路上的车流，那电子空位所形成的通路就是公路，而电压就是指令——公路上的红绿灯，电阻就是公路的宽窄和红灯，电子是按指令自动运行的汽车。有了这三者，才能形成通畅的导电。
所有的物质，不管是金属导体、半导体还是液体、超导体，只要是能够导电，都是因为有了电子空位在物质内形成通路，电压波才能在电子空位通路间传导，形成闭合通路后，电子才能在其间按电压波的指令（直流、交流、正弦波、信号波）换位运动形成电流。所有物质的导电共存此一理。
大自然总是用最简原则构成自己，不会一时用自由电子，一时用离子，一时用空穴来导电，大自然不会煞费心机地去搞那些各种各样的载流子。
电子空位是由价和电子的数量、速率及线路所决定。金属原子外层电子较少，每个原子的外层仅有一、两个价和运转围绕，物质内的电子空位多，电压波传导快捷，电子换位空间大，并且易于在其原子间流动，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１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。
铁、?等金属有2个价电子，每个原子有两个运转环绕，电子空位相对较少，电子换位空间较小，电压波在其间传动不畅，电子不易于在其原子间换位流动，这类物质的导电能力就要差些。
此外，温度对导体的电阻也有影响：温度升高，原子的核外电子速率较快，电子空位相对窄小，电压波通路相对较小，导体电阻变大，导电能力下降；反之，当温度降低，导体原子的核外电子速率减慢，电子空位相对较大，电压波通路相对较大，电子在电压波的作用下，换位流动时受阻概率小，这样，电子易于在结构元间换位移动。该导体的电阻就小。
半导体的主要材料是硅，每个原子有4个价电子，只有较少的电子空位，参杂少量3价或5价元素后能够提高电子空位存在的时机。半导体导电能力在导体与绝缘体之间。半导体导电不是空穴，半导体和超导体的导电将专题讨论。
在绝缘体内，因原子的价电子多，每个原子由多个价和运转包围着，使原子的外电子层趋近饱和，没有电子空位，不能形成通路。化合物的核外电子数量之和一般是8或8的倍数，没有电子空位，电压传输受阻。电压波不能在其间传导，核外电子不能有换位运动，不能形成导电，所以构成了良好的绝缘体。物质的导电不是电子的自由，因而物质的导电率相差几十个数量级。
气态物质则是因为物质的价和电子速率过高，而且进行着立体运转，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——闪电或高压放电。
液体导电在液态物质专题论述。可以明确的告知大家的是：液体导电不是所谓离子，只要是能够导电，都是因为有了电子空位在物质内形成通路——流通。
大自然就是这样用价电子的数量，让有些物质能够良好导电；有些物质构成半导体；有些物质形成绝缘体。如此，构成丰富多彩的电世界。