23 第1章电力与电场一 能粒子对撞后产生的大量粒子图，在这个过程中电荷始终是守恒量 因此，可以设想单个电荷是一种不可再分割的单位，它只能从一个粒子转 移给另一个粒子，而决不会削减下来或者分割开来。 现代的研究表明，电荷守恒定律还与电子的稳定性有关。电子是最轻的带 电粒子，它不能衰变。假如电子发生衰变，那一定要违反电荷守恒定律，如果电 荷守恒定律基本上有效，而不是完全有效，则电子的寿命将是有限的。1965年， 有人做了个实验，估计出电子的寿命超过10年（比推测的宇宙年龄还要长 得多。 电子电量的绝对值与质子电量精确相同，这对于宇宙存在的形式是十分重 要的。不难设想，如果两者稍有差别，虽然也可以形成稳定的“原子”与“分子” 但却是非电中性的，由于电万比引力大39个量级，其间的电斥力将超过引力 从而不可能形成星体，各种生命包括人类也就失去了赖以形成的基础。 1.2材料的电性质 1.2.1物质导电性能 早在18世纪初人们就发现了各种材料导电性能的不同，1729年，英国人 格雷就发现金属和丝绸的导电性能不同，前者接触带电体时能很快把电荷转移 或传导到别的地方，而后者却不能。这是由于不同原子内部的电子数目和原子了 核内的情况各不相同，由不同原子聚集在一起构成的不同物质的导电性能也各 不相同，甚至有的差别很大。即使是由相同原子构成的物质，由于所处的环境 条件（如温度、压强等）不同，导电性能也有差异。 电阻率（用符号P表示）是可以定量反映材料传导电荷能力的物理量，在数 值上等于某种材料制成的长1m、横截面积是1m的在常温下(20C时)导线的 电阻。材料的·越小，其转移和传导电荷的能力越强。通常，人们把材料依其 导电性能分为导体、半导体及绝缘体。 1,导体 导体是转移和传导电荷能力很强的材料，或者说是电荷很容易在其中移动 的材料：导体的电阻率在10~1062·m之间。当电流在导体内流过时，事 实上是因为导体内的自由电荷（能在物体中自由移动的电荷，在金属中的自由
由学 DIANCIXUE 24 电荷是电子，而在溶液中的自由电荷则为正、负离子)产生漂移而造成的，根据 材料的不同，自由电荷的漂移方式也不相同。在导体内电子的移动受限于该材 料所造成的电子的能级大小。因此，设有绝对绝缘的绝缘体，只要有足够大能 能量（例如高压电）就可以使电子得以通过某些绝缘体 导体有固态物质，如金屈，合金、石思、人体地等：有液态物质，如电解液 即酸、碱、盐的水溶液等：也有气体物质，如各种电离气体，铜和铝是工业中最 常用的导线和电缆材料，如图110，此外，在导体中还有等离子体和超导体，这 两种材料的导电特性又有独特的方面，下面会单独介绍 图1.10铜和铝是工业 中易堂用的导体材料，可 以做成各种电缆 2,绝缘体 绝缘体是转移和传导电荷能力很差的物质，即电荷在其中很难移动的物 质：绝缘体是因为其中的电子受缚于分子所构成的共价键，使得电子要脱离原 子是一件非常国难的事，绝缘体的电原率一般为10严一10Q·m。绝缘体同 样有固态物质，如玻聘，像胶，塑料，瓷器、云母，纸等：有液态物质，如各种油：也 有气态物质，如未电离的各种气体电力工业中，陶瓷和耐压塑料制成的绝缘 材料广泛地用在高压输电线路上， 图1,1各种陶瓷和耐 压塑料制成的绝领材料 被广泛地用在高压输电 线路上
25 第1章电力与电场 3.半导体 半导体材料的导电性能介于导休与绝缘体之间：半导体的电阻率为10 10Q·m。半导体物质有硅，锗.梯以及一些金属化合物等。半导体靠导带中 的电子或价带中的空穴导电。本征半导体不含杂质（如硅单晶、单晶）。改变 半导体导电性的常用办法是在本征半导体中修人杂质原子，并通过控制掺入的 杂质原子的数量来控制其性质 摻入的杂质原子如果比原来的原子多一个价电子（如在硅或储中参入V族 元素磷、砷，秘等，称为施主杂质)，则产生电子导电，使之变成N型半导体。揭 人的原子如果比原来的原子少一个价电子（如在硅或锗中参入Ⅲ族元素刚、镓 钢等，你为受主杂质)，则产生空穴导电，变成P型半导体。 实际应用的半导体材料多为渗杂的单晶体，有时也用多晶体（如多晶薄 膜)，近些年，非晶态半导体也有较大发展。高纯度的硅半导体材料目前已氢 成为信息工业的重要原料。 图1.12提纯的硅半导体材料 4.超导体 某些金属或合金的温度降到接近绝对零度时，其电阻突然变为零或接近于 零，这种现象称为超导电现象。现代超导重力仪的观测表明，超导态物体的电 阳率必定小于10Q·m远远小于正常金属迄今所能达到的最低电阻率 10“0m,因此，可以认为超导态的电阻率为零，图1.13是超导厚薄膜的微观 电镜图像 正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属品格的不完整性（如缺陷或 杂质等)而发生碰撞造成能量损耗，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无阻碍 地运动。这是因为当低于某个特定温度时，自由电子成对存在，这时金属要想 阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散 电子对，因此电子对就能流畅运动。正常导体转变成超导体的温度称为转变温
电学E日—一26 度。大量的研究表明，有几十种元素，数千种合金和化合物都具有超导性，由 于处在超导态的导体的电阻接近零，电流在超导体中一旦形成，便能经久不衰 地持续下去，而无需电场的作用 图1,13超导厚薄膜的微观电镜图修 5.等离子体 如果对气休持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电 了和中性粒子组成的气休，这仲状态称为等离子体。等离子体通常被视为物面 除周态，液态、气态之外的第四种存在形态：离子体是宇宙中存在最广泛的一 种物态，目前观测到的宇查可见物质中，9%部是等高子体， 图1.14等离子体电弧
27 第】章电力与电场 普通的气体由中性原子、分子组成，其向的相互作用是分子力，这是一种短 程相互作用，只在分子相距很近（即碰撞）时才需要考虑，相距较远时即可忽略 由此，在气体不太周密时主要是二体碰撞，多体碰撞极少。在等离子体中，中性 原子，分子之间的作用已退居次要地位，整个系统的物理性质受带电粒子的运 动支配，带电粒子之间的相互作用主要是电力：这是一种与距离平方成反比的 长程力，每个带电粒子往往同时与许多带电粒子发生作用（集体相互作用），并 且带电粒子的运动还将受到外加电磁场的强烈影响 从导电性能上看，由于它主要是由可自由运动的电子和正离子组成，所以 是导电性能极好的良导体，这种由大量电子和正离子组成的物质系统宏观上 是电中性的，任何局部正电荷或负电荷的偶然集中都将会被附近移来的相反电 性电荷立即中和，从而恢复电中性，所有这些，都决定了等离子体具有一系列 区别于气体的独特性质和研究方法 1.2.2接触带电和感应带电 电中性物质带电的主要方式有：接触带电和感应带电，当然通过光电效应 也可以使电中性物质带电。摩擦带电也是接触带电的一种，这里主要介绍接触 带电和感应带电 1.接触带电 摩擦带电后的玻璃棒或橡胶棒通过接触金属验电器的顶端，可以使电荷传 导到下端的金属箔上，金属箔由于带同种电荷而排斥，分开了一定的角度，根据 分开的角度大小可以测量所带的电量值，如图1.15所示 接触带电就是通过接触而带来电荷的转移，电荷从个物体转移到另一个 物体可以借助于三种方式：电子的转移、离子的转移和带电荷材料的转移。电 荷的转移往往是通过电子的转移。接触带电是一个复杂的微观过程，涉及组成 材料的原子体系的能级和表面功函数（从固体中取走一个电子到达真空中必须 做的功)等，有人专门做过研究，发现绝缘材料与不同的金属相接触后，其电子 的转移过程是不同的。 图1.15接触带电 2.感应带电 将带电物体移近不带电的导体，可以使导体带电，这种现象叫静电感应：利 用静电感应使物体带电，叫感应带电。如图1,16所示，两个中性的导体球相互 接触，用一个摩擦后的橡胶棒靠近两者，则由于金属中的自由电子被排斥，处于