金属为什么能导电？？

Answer 1

关于金属导体导电,经典导电理论认为,是由于金属导体内部存在大量的可以自由移动的自由电子,这些自由电子在电场力的作用下定向移动而形成电流.
1 金属原子的核外电子
所有的原子均由原子核与绕核运动的核外电子构成,原子核外电子绕核运动所需的向心力由原子核与电子之间的库仑电场力提供,众多的核外电子在原子核外距核不同距离的轨道上运动,距核最近的电子,受原子核的作用力最大,电子的总能量最低,而距核最远的最外层电子,受原子核的束缚力最小,电子的势能最大,总能量最大.这最外层电子由于受束缚最小,所以它经常受邻近原子的干扰,而绕邻近原子核运动.金属原子之间就是依据这种外层电子干扰后的互绕运动形成的作用力而结合成金属体的.由于这种结合力非常小,所以金属有柔软、加热易产生形变等特点.
2 洛仑兹力（或感应电场力）作用下的金属导体
如果金属导体在磁场中作切割磁感线运动,则导体内部核外电子受到洛仑兹力的作用,并在这种作用下原子发生极化,产生了原子极化电动势.但不管洛仑兹力多大,它也不能对电子做功,增加电子动能,使它脱离原子核束缚,并使电子在脱离原子核束缚后,继续对它做功,在力的方向上发生加速运动形成电流.
3 电压分配电场力作用下的金属导体
如果金属导体两端加上一个电压,使导体内部形成一个电压分配电场,则导体内部的核外层电子在绕核运动时该受电压分配电场力的作用,该电场力对电子做了正功,使电子动能增加,有了足够的能量克服核的束缚,到了核外,变为自由电子因为原子核外电子中只有最外层电子的能量最大,要形成自由电子需克服核引力做功最小,所以,一般情况下,在导体两端加上电压,也只有最外层电子能够脱离原子核,变成自由电子.最外层电子脱离原子核的束缚需对其做功最小.形成电流后的自由电子实际也是不自由的,一方面它受到了电压分配电场力的作用,并在电场力的方向上运动,另一方面在运动过程中,并非通行无阻.原子内外空间,对于一个非常微小的电子而言,可以说是相当广阔的,原子核就好像宇宙空间的恒星,而自由电子就像在宇宙空间飞行一颗小流星,这个比喻也不是很恰当,因为流星在太空中飞行可能不会使到其他物体的阻力,但自由电子却会受阻力,这是因为原子核外的空间并不是什么也没有,而是还绕行着内层电子,而且这些金属的内层电子的数量要远比形成自由电子的最外层电子多得多,我们不妨把这些原子的内层电子形成的屏障称为电子云气.电子云气带有负电,自由电子也带负电,所以,自由电子要在电子云气中穿梭形成电流,必然受到电子云气的阻力作用.在稳定电流形成后,如果把导体两端的电压突然撤去,导体内部电场消失,自由电子失去了电场力的作用,作用在它上的只有阻力,于是电子作减速运动,速度很快减小为零.而后在原子核的引力的作用下,重新回到原子核外层相应的轨道上作绕核运动.
4 欧姆定律与电阻定律
在电流流动过程中,由于电子云气对自由电子的阻力,对电流的流动形成了一定的阻碍,也就产生了导体的电阻.必须说明的是,自由电子在运动过程中受到的阻力并不等于导体的电阻,自由电子受到阻力大,并不意味着导体的电阻大,反之,导体的电阻大,也同样不等于说自由电子定向移动时受的阻力就大.
5 能量转化与焦耳定律
当导体两端刚加上电压,电场力对原子核最外层电子做正功,以克服原子核的束缚力,但由于电场力克服原子核的束缚力做功远远小于电流长期流动克服电子云气阻力做的功,所以,克服原子核束缚所做的功是十分微小,可以忽略的.
自由电子在加速过程中,电场力也对其做了正功,但也因为电子加速时间非常短,运动位移非常小（这里不作论述）,所以,电场力做也非常小,也可以忽略.所以自由电子形成电流后,电场主要能量损耗在于克服电子云气做功.
6 通电导体在磁场中运动
上面分析中电流通过导体时只克服电子云气做功,电子云气对自由电子的阻碍表现为电阻,所以这样导体称为纯电阻导体,电路中只有纯电阻导体的电路称为纯电阻电路.由以上各式可知,纯电阻电路把电功转化为热能.
但是,通电导体在磁场中会受到磁场力（安培力）的作用, ,在此力作用下,导体开始加速运动,切割磁感线,使导体内原子发生极化,产生极化电动势,导体两端感应电动势形成,会在其他外部导体部分产生一个电场,对流过的自由电子产生阻力,为了克服该阻力,电流遂在导体内部产生了一个与电流方向相同的电压分配电场,使该电场与感应电动势产生的电场相抵消,因此保持了电流的稳定,也在导体两端产生了电压,该电压大小正好与感应电动势相等,方向相反.
这样电压分配电场力要克服感应电动势产生的阻力做功,消耗电能,这些能量转化为安培力对外界做功,以机械能形式出现.
如果放入磁场中的导体不是理想导体,那么,电场力不但要克服感应电动势而做功,而且克服电子云气的阻力而做功,所以,电能有一部分转化为机械能形式,也有一部分转化为热能.
7电流流通后的电源
在电源内要形成电流,除了要使外层电子克服原子核的束缚外,同样需要克服电子云气阻力做功,非静电没有这样的功能,所以,必须在电源内产生一个由电源负极指向正极的电压分配电场,外层电子就是在这个电场力的作用形成电流,并在电源内部产生电压降,该电压降电源负极电位高于正极电位,即方向从负极指正极,与电源电动势方向相反。

Answer 2

金属导体导电原理

摘要：金属导体内没有自由电子，在库仑电场力的作用下，原子核外层电子脱离原子核，并作了一小段距离的加速运动，直到电场力与电子受的阻力相等后作匀速直线运动，电流达到稳定数值。原子核对外层电子的束缚本来就小，当电子脱离核后，受核的束缚引力就可以忽略，所以，在形成电流后电子所受到的阻力主要来电子云气，就象汽车、飞机在空气中运动受空气的阻力，阻力的大小与运动速度大小成正比。

关键词：电子阻力，电阻，欧姆定律，电阻定律，电阻率，焦耳定律

关于金属导体导电，经典导电理论认为，是由于金属导体内部存在大量的可以自由移动的自由电子，这些自由电子在电场力的作用下定向移动而形成电流。但笔者认为（笔者《电源论》《电源论（二）》等文中有详细论述），任何物体中都没有可自由移动的自由电子，金属导体中同样没有自由电子，所有原子的核外电子都绕原子核作高速运动。

1 金属原子的核外电子

所有的原子均由原子核与绕核运动的核外电子构成，原子核外电子绕核运动所需的向心力由原子核与电子之间的库仑电场力提供，众多的核外电子在原子核外距核不同距离的轨道上运动，距核最近的电子，受原子核的作用力最大，电子的总能量最低，而距核最远的最外层电子，受原子核的束缚力最小，电子的势能最大，总能量最大。这最外层电子由于受束缚最小，所以它经常受邻近原子的干扰，而绕邻近原子核运动。金属原子之间就是依据这种外层电子干扰后的互绕运动形成的作用力而结合成金属体的。由于这种结合力非常小，所以金属有柔软、加热易产生形变等特点。

不管金属原子核最外层电子是自绕核运动也好还是互绕核运动也好，它总是没有脱离原子核的束缚虽然束缚力非常小，但在没有外力对其做功的前提下，外层电子仍然没有足够的能量脱离原子核的束缚，跑到原子核的束缚之外；在偶然的情况下（比如原子在受光照），核外电子可能得到了能量而脱离原子核的束缚，到了原子核束缚之外的空间，形成自由电子，但自由电子的能量非常大，不是它最稳定的状态，所以，自由电子一旦靠近原子核电场力作用范围空间，就立即把多余的能量予以释放，重新回到原来绕核运动的轨道上，这些多余的能量又以光的形式发射出来。

2 洛仑兹力（或感应电场力）作用下的金属导体

如果金属导体在磁场中作切割磁感线运动，则导体内部核外电子受到洛仑兹力的作用，并在这种作用下原子发生极化，产生了原子极化电动势。但不管洛仑兹力多大，它也不能对电子做功，增加电子动能，使它脱离原子核束缚，并使电子在脱离原子核束缚后，继续对它做功，在力的方向上发生加速运动形成电流。（详见笔者《电源论》、《电源论（二）》等文）。

3 电压分配电场力作用下的金属导体

3．1 最外层电子克服原子核束缚

如果金属导体两端加上一个电压，使导体内部形成一个电压分配电场，则导体内部的核外层电子在绕核运动时该受电压分配电场力的作用，该电场力对电子做了正功，使电子动能增加，有了足够的能量克服核的束缚，到了核外，变为自由电子。在此过程中，设电子原先绕核作高速运动的速率为 ，设外加的电压分配电场场强为E，电子电量绝对值为e，电子绕核运动半径为r，电子脱离原子核束缚需克服核的引力做功 ，电子脱离原子核束缚后，自由电子的速率为 ，则根据功能关系有：

……………………………………(1)

所以自由电子的速率为

……………………………………………(2)

上两式中 是电场力克服原子核束缚而对电子作的功。

由于在导体两端加上电压后，电场在导体内的传播速率非常大，等于光速C，基本在同一时刻，导体内所有原子的核最外层电子受到电压分配电场力作用，并且也基本上是同时克服原子核的束缚力，得到速率 。

3．2 加速运动

因为原子核外电子中只有最外层电子的能量最大，要形成自由电子需克服核引力做功最小，所以，一般情况下，在导体两端加上电压，也只有最外层电子能够脱离原子核，变成自由电子。最外层电子脱离原子核的束缚需对其做功 最小，这只是相对于内层电子而言的，但如果相对电场力对电子做的功 ， 可以说是非常大的， 远远不足于克服 ，直接使最外层电子成为自由电子，只有电子的初始动能的加上 ，才得以使电子脱离了原子核的束缚，到了核外，成为自由电子。

自由电子的初始速率 是相当小的，甚至有可能为零，如果没有电压分配电场力对它继续做功，使其加速定向移动，自由电子也会受原子核吸引，加上自己能量相当大，很不稳定，于是很快回落到原来的轨道上绕核运动，把多余的能量以光的形式释放出来。

当导体内的最外层电子形成自由电子后，导体内的电场不会因此消失，还继续作用在导体上，所以，自由电子将继续受到方向一致的电压分配电场力的作用，在电场力方向上作加速运动。于是形成初态电流。

3．3 自由电子在电子云气中受到的阻力

形成电流后的自由电子实际也是不自由的，一方向它受到了电压分配电场力的作用，并在电场力的方向上运动，另一方面在运动过程中，并非通行无阻。原子内外空间，对于一个非常微小的电子而言，可以说是相当广阔的，原子核就好像宇宙空间的恒星，而自由电子就像在宇宙空间飞行一颗小流星，这个比喻也不是很恰当，因为流星在太空中飞行可能不会使到其他物体的阻力，但自由电子却会受阻力，这是因为原子核外的空间并不是什么也没有，而是还绕行着内层电子，而且这些金属的内层电子的数量要远远比形成自由电子的最外层电子多得多，我们不妨把这些原子的内层电子形成的屏障称为电子云气。电子云气带有负电，自由电子也带负电，所以，自由电子要在电子云气中穿梭形成电流，必然受到电子云气的阻力作用。

那么，自由电子在电子云气中受的阻力大小为多大呢？我们知道，物体在空气中运动也会受到阻力，而且阻力大小与物体在空气中运动的速率成正比。于是笔者假设自由电子在电子云气中运动时受到的阻力大小也与电子的运动速率大小成正比，即 ， 是比例系数，称为电子云气阻力系数，决定于电子云气的性质，主要决定于温度大小（其详情有待查明）。

所以，自由电子形成初态电流时动力学方程为

………………………………………………………(3)

通过导体的电流强度为

………………………………………………………………(4)

其中， 是通过电场力作用后导体内部形成的自由电子体密度， 是导体的横截面积。

从上式可以看到，刚接电源时，通过导体的电流强度不会发生突变，即不会从零突变为 ，而是有一个电流渐变的过程，这个渐变的初始态电流强度为 。

3．4 电流稳定

自由电子通过一段很短时间的加速，电流强度逐渐增大，自由电子的速率也逐渐增大，它受到的受力也增大。于是就有

……………………………………………………………(5)

即自由电子受的阻力与电场力相等，这时，自由电子不再加速运动，电流强度保持一个稳定的数值不再变化。于是稳定电流形成了。

3．5 断开电源

在稳定电流形成后，如果把导体两端的电压突然撤去，导体内部电场消失，自由电子失去了电场力的作用，作用在它上的只有阻力，于是电子作减速运动，速度很快减小为零。而后在原子核的引力的作用下，重新回到原子核外层相应的轨道上作绕核运动。

4 欧姆定律与电阻定律

在电流流动过程中，由于电子云气对自由电子的阻力，对电流的流动形成了一定的阻碍，也就产生了导体的电阻。必须说明的是，自由电子在运动过程中受到的阻力并不等于导体的电阻，自由电子受到阻力大，并不意味着导体的电阻大，反之，导体的电阻大，也同样不等于说自由电子定向移动时受的阻力就大。下面将详细论述。

由上述（5）式 等号两边同乘以 得

所以有
由电压与电场强度关系公式 ，设导体长度为 ，则导体两端电压 ，及（4）式得

故得

…………………………………………………………（6）

对于一定温度下的导体，电子云阻力系数 是不变的， 是导体内自由电子的体密度，也是不变的， 是电子电量的绝对值， ， 是导体的长度与横截面积。即（6）式中等号右边是一个定值，我们不妨把它设为R，即

……………………………………………………………（7）

于是，（6）式就变为

…………………………………………………………………（8）

或者

……………………………………………………………………（9）

大家都知道，这（8）（9）两式分明就是路端电路欧姆定律。

再仔细看清楚（7）式，如果我们令

………………………………………………………………（10）

（7）式便有

………………………………………………………………（11）

（11）式就是电阻定律，电阻率 由（10）给出，从（10）式我们可以看到，导体电阻率与电子云的阻力系数 成正比，与导体内自由电子密度成反正，与电子电量的二次方成反比，这些都决定于导体的性质。上面说过，电子云气的阻力系数 与温度有关，所以，电阻率也与温度有关。在温度一定的条件下，我们完全有可能通过实验测量出电子云气的阻力系数 ：

……………………………………………………………（12）

也就是只要测出导体的电阻率，自由电子密度与电子电量即可。

5 能量转化与焦耳定律

当导体两端刚加上电压，电场力对原子核最外层电子做正功，以克服原子核的束缚力，但由于电场力克服原子核的束缚力做功远远小于电流长期流动克服电子云气阻力做的功，所以，克服原子核束缚所做的功是十分微小，可以忽略的。

自由电子在加速过程中，电场力也对其做了正功，但也因为电子加速时间非常短，运动位移非常小（这里不作论述），所以，电场力做也非常小，也可以忽略。所以自由电子形成电流后，电场主要能量损耗在于克服电子云气做功。

当自由电子在电场力作用下，从导体一端通过导体另一端，电场力对自由电子做了正功，自由电子的能量增大，但同时自由电子受了电子云气的阻力作用，该阻力对电子做了负功，又把自由电子本已增大的能量予以损耗，把这些能量传递给电子云气，使电子云气能量增大，温度升高。在导体内电场力对每个自由电子做功为

整个导体中有自由电子个为

所以，电场力对导体内所有的自由电子做为

即有 …………………………………………………………………（13）

由于自由电子在流通过程中，只克服电子云气而做功，所以所有能量都将转化为电子云气的内能，以热的形式表现出来。所以可以通过（9）式的变换，得到

……………………………………………………………………（14）

这就是焦耳定律。

或 …………………………………………………………………（15）

（13）（14）（15）式两边除以 ，得到功率表达式

………………………………………………………（16）

6 通电导体在磁场中运动

上面分析中电流通过导体时只克服电子云气做功，电子云气对自由电子的阻碍表现为电阻，所以这样导体称为纯电阻导体，电路中只有纯电阻导体的电路称为纯电阻电路。由以上各式可知，纯电阻电路把电功转化为热能。

现在，如果把一没有电阻（即阻力系数 ）通有电流I的导体放入匀强磁场B中，由于阻力系数 ，所以自由电子在导体内运动受到的阻力 ，又电流I不变，说明自由电子定向移动速度 不变，作匀速直线运动，故自由电子合外力为零，所以，受电压分配电场力也为零，因而，导体内部电场强度 ，导体两端没有电压。

但是，通电导体在磁场中会受到磁场力（安培力）的作用， ，在此力作用下，导体开始加速运动，切割磁感线，使导体内原子发生极化，产生极化电动势，导体两端感应电动势形成，会在其他外部导体部分产生一个电场，对流过的自由电子产生阻力，为了克服该阻力，电流遂在导体内部产生了一个与电流方向相同的电压分配电场，使该电场与感应电动势产生的电场相抵消，因此保持了电流的稳定，也在导体两端产生了电压，该电压大小正好与感应电动势相等，方向相反。

这样电压分配电场力要克服感应电动势产生的阻力做功，消耗电能，这些能量转化为安培力对外界做功，以机械能形式出现。

如果放入磁场中的导体不是理想导体，那么，电场力不但要克服感应电动势而做功，而且克服电子云气的阻力而做功，所以，电能有一部分转化为机械能形式，也有一部分转化为热能。

7 电子云气阻力系数 随温度变化的定性解释

笔者认为，物体内部没有经典理论所说的自由电子，原子的所有的核外电子均绕着原子核作高速运动，这些电子绕核运动的轨道也不是固定的。构成物体的所有原子并不象经典的热运动理论所说的在做规则的热运动，这原子只在平衡位置附近作轻微振动，温度并不是物体内原子作无规则热运动的平均动能的表现，温度是电子绕核运动速度快慢的表现。物体温度越高，表明物体内原子核外电子绕运动的速度越大，温度越低，表明物体内原子核外电子绕运动的速度越小。

不象经典热运动理论所说，只有很多很多原子（粒子）作无规则的热运动，才有温度的表现。笔者认为，只有一个原子，也同样有温度的表现。

当导体温度升高时，导体内原子核外电子的运动速率增大，根据向心力公式 可知，其作绕核运动所需的向心力应该变大，但是如果电子与原子核的距不变，它们之间的库仑力（电场力）是不变的， 。于是电场力不足于提供向心力，电子向核外位移，使电子克服势能做功，动能减小，向心力减小，重新与电场力达新的平衡，在新的轨道上绕核运动。这时，整个原子的有效体积增大，引起物体体积的增大。这就是热胀冷缩效应。

随温度升高，原子核外电子云向外扩张，对自由电子定向运动的阻碍扩大，因此电子云气阻力系数 增大；也因为核外电子云的向外扩张，使电子云对原子核的屏蔽作用减弱，原子核的外露部分增加，对自由电子的束缚增加，也引起的阻力系数 的增大。

随温度降低，原子核外电子云收缩，自由电子定向运动的阻碍减小；电子云对原子核屏蔽作用加强，原子核外露部分减小，对自由电子的束缚更小，所以阻力系数 也随之减小。当温度下降到一定程度时，阻力系数 有可能下降为零，这时，导体电阻为零，这就是超导现象。

8 电流流通后的电源

电流流通之后，电源内部发生了什么样变化？由于非静电力只能使原子发生极化，使电源产生电动势，但非静电力并不能对电子做功，也不能使外层电子克服原子核的束缚，成为自由电子，更不能使电子定向移动形成电流，那么，电源内部的电流是怎样形成的呢？

在电源内要形成电流，除了要使外层电子克服原子核的束缚外，同样需要克服电子云气阻力做功，非静电没有这样的功能，所以，必须在电源内产生一个由电源负极指向正极的电压分配电场，外层电子就是在这个电场力的作用形成电流，并在电源内部产生电压降，该电压降电源负极电位高于正极电位，即方向从负极指正极，与电源电动势方向相反。

9 说明

不管什么物体，其体内不存在经典理论所说的自由电子，本文中所说的自由电子是指金属原子的最外层电子在电场力作用下克服了原子核的束缚而跑到原子核束缚之外并在电场力作用下定向移动的电子。

Answer 3

金属的导电性目前位置有多种理论推测，分别如下：

①经典导电理论

经典导电理论认为，金属导体内部存在大量的可以自由移动的自由电子,这些自由电子在电场力的作用下定向移动而形成电流，由于有大量的可移动的自由电子，故金属可以体现出导电性。

②量子力学理论

在量子力学理论中，电子实际上不是在点阵直线移动，而是像光线那样，按波动力学的规律运动，我们称之为：电子波。
电子运动过程实际上是：各个电子波在原子上被散射，然后互相干涉并连续地形成波前（可以结合水波来理解）。

目前这两种理论都不能完全表明孰对孰错，他们都有各自所适应的背景，一般而言，经典导电理论更适合我们的理解与基础研究。

Answer 4

金属可以到导电，是因为金属内部有自由电子。因为电子带负电，可以在电场的作用下定向移动。就是导电。

Answer 5

因为金属会把雷电吸引过来，因为这是钥匙和雨伞，这些才会导电，雨伞下面那个吧，那个也会导电也有那个铁的，雷雨天气的时候不能带金属物品来，这样会导电