物理爱好者

漫步云涧

气体作为导体的导电机理



孟昭辉



　　除了金属、电解质可以导电外，在一定的条件下气体也可以导电。在通常的情况下，气体的分子是中性的，仅有极少量的离子，所以气体是良好的绝缘体。但是，气体中如有足够多的电子和离子存在，那么在气体中也能产生电流，即气体导电。气体分子转变为离子的过程称为气体的电离，电离后的气体就成为导体。气体具有导电性时，电流经过气体的现象称为气体放电。按电离发生的原因，气体放电可分为被激放电和自激放电两种。用火焰将气体加热，或用紫外线等照射气体，都能使气体发生电离。火焰、紫外线等称为电离剂。气体在电离剂的作用下，气体中一部分原子或分子在吸收了电离剂所辐射的足够大的能量后，电子就能离开气体原子或分子，产生电子和正离子。正离子和电子在电场中按相反方向运动。在弱电场中，电子能量并不会太大，当电子与中性分子或原子相碰撞时，易被俘获而形成负离子。这时气体导电机构主要是正、负离子，而不是自由电子。所谓自激放电，是当两电极之间的电势差增加到某一量值UO时，气体中的电流将急剧增加，这时即使移去电离剂，放电现象仍能维持，这时的放电现象称为自激放电。当电压达到UC时，正离子在强电场中已能获得足够的能量。当正离子到达阴极时，与阳极碰撞，可使阴极发射电子，这种新的电子在强电场中加速，能量增加很快。当加速中的电子与中性原子或分子相碰撞时，不易被俘获，反而能使原子或分子电离（碰撞电离），并放出电子。这些电子经加速后，又与原子或分子碰撞，引起电离。因此当电子群向阳极运动时，一路上电子的数目急剧增加，形成急剧增大的电流。在自激放电过程中，因为负离子不易形成，正离子的速度远较电子为小，所以自激放电的主要机构是靠电子。

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导体中电子的漂移速度不是“电”的传播速度



孟昭辉



  
　　金属导电的原因，是其中存在着可以自由移动的电子。在电场的作用下，导体中的自由电子在热运动的基础上，逆着电场方向产生一个附加的定向速度，这个速度的平均值，称为漂移速度。

　　通常情况下，其他金属导体中电子的漂移速度也约为10－4米／秒这个数量级。而金属中自由电子的平均热运动速度的大小为105米／秒数量级，可见自由电子在电场作用下的定向漂移速度远小于平均热运动速度。

　　既然金属导体中电子的漂移速度如此之小，为什么平常还说“电”的传播速度非常快？谁都知道，在很远的地方把开关接通，它所控制的电灯就会立刻亮了起来，若按估计出的电子漂移速度的大小，似乎接通开关后要等很久电灯才会亮。

　　其实这并不奇怪，平常说的“电”的传播速度，不是导体中电子的漂移速度，而是电场的传播速度。电场的传播速度非常快，在真空中，这个速度的大小约为3×108米／秒。“电”的传播过程大致是这样的：电路接通以前，金属导线中虽然各处都有自由电子，但导线内并无电场，整个导线处于静电平衡状态，自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动，当然导线中也没有电流。当电路一接通，电场就会把场源变化的信息，以大约3×108米／秒的速度传播出去，使电路各处的导线中迅速建立起电场，电场推动当地的自由电子做漂移运动，形成电流。那种认为开关接通后，自由电子从电源出发，以漂移速度定向运动，到达电灯之后，灯才能亮，完全是一种误解。

　　我们可以用一个形象的比喻来说明以上的道理。一队将要进入展览馆参观的学生，排成直线队形，队首在展览馆门口，队尾还在学校内；指挥队伍的老师在校内，队伍静止不动，等候参观。当老师发布命令：“参观开始！”命令以声速V（约为332米／秒）沿队伍传播出去。而听到命令的学生，则以某一慢得多的速度V′（约1米／秒）前进。当声音传达到展览馆门口时，站在门口的学生就可以走进馆内参观。假设学校到展览馆的距离为S米，命令传达到馆门口所用的时间t≈S／332秒，一个人从学校走到馆门口要用的时间是T＝S秒。这里，从发出命令到开始有人进入展览馆的时间是t，而不是T。如果把学校比作电源，展览馆比作用电器，教师发布命令相当于开关接通电路，声音传播的速度相当于电场的传播速度，则人行进的速度相当于电子沿导线定向移动的速度。这个过程和接通电源后，电场以光速沿导线传播，电场传到哪里，哪里的自由电子就开始定向移动的情况相似。接通电源后，电场传到用电器的时间极短，所以接通电源后，可以认为电流立即传到用电器，使其开始工作。我们所用的这个力学模型，可以形象、直观地加深学生对这个问题的理解。

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超导电性简介



马文学



　　有些物质在某一温度下，会失去磁导率和电阻率。荷兰物理学家昂尼斯在做金属的剩余电阻率与物质的纯度有关的实验时，发现水银的电阻在4．2K附近时，突然消失。这种电阻突然消失的现象叫做零电阻现象。以后又发现其他许多金属也具有这种现象，把这种现象就叫做物质的超导电性。当物质呈现超导电性时，它会排斥所有的磁场。如磁棒落入具有超导电性的金属碟中时，它将被排斥而悬浮于碟面上。具有超导电性的物体叫做超导体，把电阻突然消失的温度称作临界温度，用TC表示，是随物质而不同的常数。

　　超导体在TC以上时和正常金属一样，具有一定的电阻，处于正常态；超导体在TC以下时，电阻消失，处于超导态。

　　超导体所处的状态除温度影响外，还和超导体周围的磁场以及其中所流的电流值有关。当温度T＜TC时，外磁场小时，超导体处于超导态；当外磁场增加到某一确定数值时，超导体的超导电性就会突然遭到破坏，出现电阻，超导体处于正常态。我们就把破坏超导体的超导电性所需要的最小磁场称作临界磁场。用HC（T）表示。

　　实验发现，在不加磁场的情况下，给超导体通以一定电流，当电流值超过某一定数值IC（T）后，超导体的超导电性便被破坏，称IC（T）为超导体的临界电流。

　　根据对大量金属材料的实验，具有超导电性的元素还是相当多的。到目前为止，在常压下发现的超导元素共有28种，其临界温度和临界磁场都不相同。临界温度最高的超导元素是铌（Nb）：9．2K；锝（C）：7．71K；铅（Pb）：7．2K。临界温度最低的是钨（W）：0．016K。临界磁场和临界电流普遍不高。

　　在技术上有重要价值的超导材料都是合金或化合物。它们一般都有比纳元素高得多的临界温度，并具有特别高的临界磁场和临界电流。

　　目前具有实用价值的铌三锡Nb3Sn，C为18．1K，上临界磁场HC在4．2K下为24．5特斯拉。

　　近年来高温超导材料发展很迅速，C值已经比较稳定地进入了液氮温区。

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超导电性的应用



马文学



　　超导电性应用量最大的、最有成效的是超导磁体。超导磁体有着常规磁体不能比拟的优越性。超导磁体没有焦耳热损耗，不需要冷却，易于在较大的空间内获得强磁场。例如产生一个磁场强度5特斯拉的常规磁体的质量是20吨，而超导磁体仅几千克。目前超导磁体能产生175特斯拉的场强，所耗电能15千瓦，如用常规磁体耗电能竟达到7兆瓦左右。

　　超导体还可应用在高速火箭发射上。若在真空隧道中进行，速度可提高到5000米／秒。

　　超导电性在电子学方面也有广泛的应用。利用超导电性制成冷子管来作计算机元件能大大提高计算机的计算效率。

　　利用超导电性可制成灵敏度高、噪声低、响应速度快和损耗小的器件，具有这种特点的器件可应用在各个方面。比如代替标准电池作为电压基准，稳定可靠，其精度已达到2×10－8。用这种器件可制成超导量子干涉仪，来探查或测量微弱的磁场，其分辨率目前可达到10－15特斯拉。这种高灵敏度的磁强计可用来测量人的心脏和大脑所产生的磁场。

　　从上面介绍可知超导电性应用的方面很多。但是，过去超导材料和器件的使用需要有一个极低温度环境，这给它的应用带来很大的局限性。随着低温与超导技术的飞快发展，将会使超导材料和器件在许多领域中得到更多的实际应用。

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半导体二极管

半导体二极管也叫晶体二极管，是一种由半导体材料制成的、具有单向导电性的两极器件，可以用于整流、检波、混频、开关、稳压等。半导体二极管是由一个PN结焊上两根电极引线，再加上外壳封装而成，与P型半导体相接的电极叫正极，与N型半导体相接的电极叫负极。在电路图中，半导体二极管用图10－1所示的符号来表示。

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糊式锌—锰干电池

王宗田

干电池仅外皮是干的，里面的电解媒介仍是液态，只是经过特殊处理才呈糊状。 　　它是以淀粉为主体材料作电池隔离层的。市场上售品多为此种。 　　这种电池由锌筒、电糊层、二氧化锰、炭棒、铜幅、封口剂等组成，如图4－1所示。锌筒既是负极，又是容器。中央的长条炭棒起导电作用，紧包着炭棒的二氧化锰是电池的正极。深褐色或黑色的二氧化锰中混有导电材料石墨或乙炔黑。在二氧化锰与锌筒之间只有几毫米宽的间隙中充填糊状电解质，它是由浓缩的氯化铵水溶液、微量升汞和氯化锌以及淀粉组成。加入微量升汞和氯化锌的目的是为避免锌筒的局部作用，增强电池的防腐能力，同时还能提高锌的负电势，以使电池的电动势随之提高。用淀粉的目的是将电解液制成糊状，从而使电解质离子扩散速度减慢，提高电池的贮存性能。封口剂多使用沥青，也有用树脂或石蜡的。 　　糊式锌—锰干电池中的基本化学反应是： 　　如果从阴、阳两极单独考虑，阴极锌溶解为： 　　阳极二氧化锰还原为， 当两极用负载连接起来，电子便从阴极流向阳极。在电解液中的离子Zn＋＋和OH－增加，它们又和电解液中的NH4＋和Cl－离子反应为： 　　由于Zn（NH3）2Cl2的析出，电池内阻就增加了，电池就逐渐老化了。 　　锌—锰干电池的优点是：制造电池所需要材料的来源丰富，价格便宜，使用温度范围较宽，便于携带、组合，易贮存、维护等，所以，它是现在使用最广的一种化学电源。 　　这种电池的缺点是：电池放电容量受放电电流大小的影响较大；连续放电时，电压连续下降不够平稳；间歇放电时，电压在放电过程中虽然也是连续下降，但在每次间歇时间内，电压有回升现象，使用时间比较长，容量比较大。因此，这种电池不宜用于大电流连续放电，只适宜于中小电流间歇放电。 　　锌—锰干电池在＋10℃～＋20℃温度范围内使用时，工作效率最理想。温度低时，其容量明显下降。温度高时，这种电池自放电严重，其容量损耗较大。 　　使用时选用什么样的电池，这要根据实际需要决定。在实验室中，如需用电压不高（小于几十伏），电流不大（1安培以下）的直流电源，就可以选用干电池。如需要电流大于0．5安培的直流电源，可用甲电池（R40），或用1号（R20）干电池并联；如电流在0．3安培左右，可用1号电池；若电流在50毫安以下，可用5号（R6）电池。当所需电压高于1万伏时，可用串联法提高电压，如用乙电池就更为方便。总之，在电压不太高、电流不太大的情况下，可用干电池的串、并联组合来满足需要。

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半导体二极管的伏安特性









　　半导体二极管最重要的特性是单向导电性。即当外加正向电压时，它呈现的电阻（正向电阻）比较小，通过的电流比较大，当外加反向电压时，它呈现的电阻（反向电阻）很大，通过的电流很小（通常可以忽略不计）。反映二极管的电流随电压变化的关系曲线，叫做二极管的伏安特性，如图10－2所示。图10－2中右上方为正向伏安特性，左下方为反向伏安特性。当外加正向电压时，随着电压U的逐渐增加，电流I也增加。但在开始的一段，由于外加电压很低。外电场不能克服PN结的内电场，半导体中的多数载流子不能顺利通过阻挡层，所以这时的正向电流极小（见曲线的OA段，该段所对应的电压称为死区电压，硅管的死区电压约为0～0．5伏，锗管的死区电压约为0～0．2伏）。当外加电压超过死区电压以后，外电场强于PN结的内电场，多数载流子大量通过阻挡层，使正向电流随电压很快增长（曲线中的AB段）。当外加反向电压时，所加的反向电压加强了内电场对多数载流子的阻挡，所以二极管中几乎没有电流通过。但是这时的外电场能促使少数载流子漂移，所以少数载流子形成很小的反向电流（曲线中的OC段）。由于少数载流子数量有限，只要加不大的反向电压就可以使全部少数载流子越过PN结而形成反向饱和电流，继续升高反向电压时反向电流几乎不再增大（曲线中的CD段）。当反向电压增大到某一值（曲线中的D点）以后，反向电流会突然增大，这种现象叫反向击穿，这时二极管失去单向导电性。所以一般二极管在电路中工作时，其反向电压任何时候都必须小于其反向击穿时的电压。