導電的奧秘

鄭靖東

我們在科學或物理課上都學過電學的基本知識，也都了解有些物體容易導電，而有些物體卻不容易導電。我們把容易導電的物體稱為導體，如各種金屬、鉛筆芯、鹽水等;把不容易導電的物體稱為絕緣體，如塑料、橡膠、干木等。同為物體，為何有的成為導體，有的就是絕緣體，但導體和絕緣體間又可互相轉換？下面就將散落在課本各個章節中的相關知識捋一捋，拓展一下，一同來揭開其中的奧秘吧！

為什么不同的物體導電性會存在差異？

這主要與物體內部的電荷性質有關。物體能導電，就要求物體內部具備形成電流的條件。其實，電流的形成和水流很相似，形成水流首先要有液態的水，因為它們具備向不同方向自由運動的條件，但冰就不能，它是固態的，失去了自由流動的條件，所以同樣是水，冰不能形成水流。當然，水庫里的液態水也不能形成水流，同樣是因為它不具備向不同方向流動的自由運動。如果把水庫的閘門打開，客觀條件變了，那么水庫里的水會在水位差的作用下流向閘口，形成水流。

那么在物體內部形成電流的首要條件是什么呢？從微觀角度來看，物體內部含有我們無法看到，甚至連光學顯微鏡都無法看到的原子，原子是由更小的粒子，即原子核和電子構成。原子核相對于電子來說質量和體積都很大且帶正電，它居于原子的中心，而電子位于原子核外且帶負電。原子核和核外的電子由于分別帶有等量的正負電荷而相互吸引，使得電子圍繞原子核做高速地旋轉，猶如太陽系的8 大行星圍繞著太陽旋轉一樣。原子內帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子就相當于水庫中的水（至于是液態還是固態還需具體分析）。由于原子核的質量較大，所以它的位置是相對固定的，幾乎不能自由移動。原子核外面帶負電荷的電子受到原子核的吸引而繞原子核運動，但是不同的原子由于原子核所帶電荷量的不同，以及核外的電子距離原子核的距離不同，原子核對它外面的電子的吸引力也不同。這樣就出現了有的原子核對它外面的電子吸引力較小，外面的部分電子就可能擺脫原子核的吸引而隨意移動，這些可以隨意移動的電子被我們稱為“自由電荷”，自由電荷就相當于水庫中液態的水;而有的原子核對它外面的電子吸引力大，把它周圍的電子牢牢拉住，這些電子就不能隨意移動，就相當于水庫中被凍住的固態水。所以物體能否導電取決于物體內部有沒有自由電荷，有了自由電荷，那么在物體的兩端加了電壓，這些自由電荷就會在電壓的作用下沿著相同的方向移動，從而形成了電流。

物體內部的自由電荷過于微小，物體的導電機理我們無法直接看到，但我們可以用一個形象的比喻來加以說明。我們把一個物體比作一所學校，把一個原子比作這所學校的一個班級，老師就相當于原子核，學生就相當于電子。比如有的學校管理非常松散，老師在上課期間很難有效管控學生，所以部分學生會趁老師不注意偷偷溜出教室玩耍。這些翹課的學生就相當于自由電荷。這時如果校門口出現好吃的、好玩的東西時，就相當于存在了電源，吸引了正在學校四處亂逛的學生紛紛朝校門口運動，就形成了“人群流動”，這種人群流動就相當于電流。相反，有的學校很嚴，班級老師管控能力很強，上課期間沒有一個同學敢溜出教室。所以當校門口出現好吃的、好玩的東西時，也沒有一個學生能溜出教室奔向校門口，這樣就不會出現“人群流動”，也就相當于不會形成電流。

可見，雖然物體內部都存在著原子核和電子等電荷，但物體是否容易導電，關鍵取決于物體內部的電子能否擺脫原子核的約束而成為自由電荷。如果物體內有大量的自由電荷，那它就容易導電，屬于導體;如果沒有自由電荷，那它就不容易導電，屬于絕緣體。

實際上導體和絕緣體也不是絕對的，它們也可以相互轉化。如管控很嚴的學校，本來每個班級的學生都不敢翹課，但是校園里溜進了一批調皮搗蛋的朋友，他們“潛伏”在各個班級的后門口，慫恿坐在門口的學生偷偷地溜出來，這樣溜出的同學成了“自由電荷”，具備了“導電”的條件。如玻璃本來是不導電的，但給玻璃加熱，玻璃也能夠成為導體。加熱的原理就相當于那些調皮搗蛋的朋友慫恿學生翹課一樣，讓玻璃中本來被原子核束縛的電子擺脫了原子核的束縛而成為了自由電荷。