对于固体材料来说,自由电子的定向移动形成电流,由于固体当中同时存在正电荷和负电荷,于是自由电子的定向移动会受到阻碍,这就是电阻的微观原理。
电流的本质是电荷的定向移动,物质由原子组成,原子由带正电荷的原子核与带负电子的核外电子构成,在导体材料中,部分核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子,如果在导体两端加上电场,导体内的自由电子将会产生定向移动,也就产生了电流。
需要说明的是,自由电子的定向运动速度很慢,大约只有每秒几毫米至几厘米,但是电场在导体中的传播速度接近光速,而电流的传播速度取决于电场速度。
在导体当中,自由电子在定向移动时,会与其他粒子发生碰撞,也会受到带正电荷的原子核影响,从而造成自由电子损失动能,损失的动能将转化为其他粒子的不规则运动,也就是导体本身的内能,从宏观上看,导体也就有了电阻。
根据这个微观原理,很容易理解电阻率,电阻率ρ:表示物体导电特性的物理量,材料电阻R=ρL/S。
材料长度L:导体材料越长,定向移动的电荷受到的阻碍越大,于是电阻与材料长度成正比。
材料横截面积S:材料的横截面积越大,单位长度导体中的自由电子数量越多,导体的导电性能越好。
温度:温度会影响材料的微观性质,会在一定程度上影响导体的导电性能。
在所有材料当中,金属的核外电子倾向于脱离,所以金属中的自由电子相对较多,导电性能相比其他材料更好,下面是几种金属的电阻率。
温度越高时,导体中原子的不规则运动越剧烈,对自由电子的阻碍作用也越大,所以绝大部分材料随着温度的升高,电阻率也会升高;但是存在一些半导体材料,在温度适当升高时,自由电子的数量将会大大增加,这时候温度升高,材料的电阻率反而降低。
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