导体和绝缘体差在哪儿

导体和绝缘体差在哪儿

导体和绝缘体是导电和用电中哪样都不能少的两类材料。拿一根最普通的导线来说，线的芯是铜或铝等导体，线的外皮是塑料或棉线等绝缘体，没有金属芯怎么导电！而没有外面的绝缘层，不是漏电，就是短路。常用的变压器，其线圈由铜线绕成，而铜线外面涂上了一层绝缘漆，做成漆包线。输电用的高压线虽是裸线，但在其固定处都是用瓷制的“绝缘子”将其与周围断开。可见，导体和绝缘体“各司其职，异曲同工”。

导体和绝缘体在导电性能上为什么有如此相反的表现呢？还是那句老话：“有问题，找结构。”以固体材料为例：金属晶体中，由于金属原子的最外层电子个数少（1～3个），原子半径大，因而在晶体中最外层的电子容易挣脱原子核的束缚，在金属阳离子所形成的势能场中能够较为自由地运动，形成所谓的“自由电子”。当金属中加上一定的电压后，这些自由电子就会沿电场方向运动，宏观上就形成了电流。而由原子晶体、离子晶体和分子晶体构成的固体材料，因即使是原子的最外层电子，也被原子核紧紧地“拴住”，这3类晶体在结构上的共同之处是不存在可以自由运动的带电微粒，因此不能对导电直接作出贡献。当离子晶体熔化后，或离子化合物及某些共价化合物溶于水时，由于生成了可以“自由”运动的阴、阳离子，此时即能导电，这些化合物称作“电解质”。电解质的导电属于金属之外的第二类导体的导电，因两种导体充当导电角色的微粒不同。

固体材料导电性能的现代理论称为“能带论”。按此理论，各种固体材料中的电子能级（分子轨道）是由若干“能带”构成，每个能带有一定宽度，是由许多能量间隔极小的能级构成。把一个固体的能带按能量由低到高的顺序排列起来，就构成了该固体的能带结构，不同能带之间有一定的能量间隔。固体中的电子，按能量由低到高的顺序依次填入不同能带，其中已填满电子的能带叫“满带”，完全未填电子的能带叫“空带”，部分填充电子的能带叫“导带”。因导带中的电子在外电场的作用下，可以在该能带内部向高能级跃迁，这实际上起到导电作用，故得名导带。导体、绝缘体和半导体的导电性能不同，是因为它们的能带结构特征不同，图6—7示出了这三类材料能量较高的能带结构：导体能带中因有导带，故能导电；绝缘体满带和空带之间能量间隔很大（≥5电子伏），一般高的电压很难使电子由满带跳至空带，所以不能导电；半导体虽然没有导带，但满带和空带之间的问隔较小（＜3电子伏），所以一定的电压就能使其导电。前面对导体和绝缘体的重要性已作了简单介绍，其实半导体材料的作用也不可低估，正是半导体材料的大量使用，才使电子工业的水平产生了划时代的提高。

图6－7　3种类型固体的能带结构