絕緣體是不是只是讓電荷移動速度變慢,傳輸過程中的電流就很小,相當於絕緣了?
一個帶電的金屬球去碰了一個不帶點的
它們的電量就被平分了但如果假設不帶電的金屬球足夠大
相碰以後肯定不會瞬間就平分
大金屬球左邊會先帶上電,然後假設正電荷能移動會很快的擴散打到均勻如果是瞬間平分的話就假設大球直徑比一光年還大,左邊的信息不可能直接傳到右邊所以肯定有速度可是我前兩天看到一句話說世界上沒有絕對的絕緣體,只有不努力的電壓所以我猜想,會不會所謂的絕緣體只是對電荷阻礙較大,然後使得電荷移動速度變慢,很慢
這樣傳輸過程中的電流就會很小,相當於絕緣了?
題主上海高三
電子濃度跟材料有關係,電子的移動速率跟電場有關係,還跟遷移率有關係。遷移率跟材料有關係。
看完同意數最多的回答,本答主的想法是:what the f。。。
題主是高中的學生,問題屬於由靜電學引申出的為什麼絕緣體能絕緣的問題而上面的答主理解為:
我們發現,題主的意思是:當電量流入絕緣體後,因為電流被平分了,所以電流速度極大地降低,因此絕緣體具有絕緣性。題主提的是兩個金屬球電荷的平分,而不是電量進入絕緣體,也不是電流被分了電流速度是什麼鬼答主通篇也沒有解釋為什麼絕緣體能絕緣,而是一些電介質屬性,電氣絕緣理論你要秀知識也找到相關一點的題目好嗎。
我總結了下上面答主的回答格式,供大家參考:1.首先,題主的問題有意思
2. 理論很複雜,我們來瀏覽一下吧:3。。。。。。。(一堆不相關的知識,豐富的圖片)4.回頭看題主的問題,顯然,這個想法是不對的5.提兩個問題kao大家吧6.。。。---------------------------
電子的運動速度有一個很大的範圍。
電荷在導體中的定向運動速度很慢。
我們知道電流是電子定向運動的度量,即單位時間內有多少電荷穿過了給定面積的導體。1A的電流相當於每秒有1庫的電量穿過給定面積。一個電子的電量為 1.6e-19C需要6.3e18個電子才能達到1C在銅線中的電子密度大約為 8.45e22 electrons/cm^3假設電線的面積為1cm^2那定向移動速度(drifting velocity)為0.000075 cm/s是不是非常小好了,現在回到題主關於無限大金屬球的問題。我們現在假設就是一個金屬球,金屬球里有大量的自由電子,想像成一個電子的海洋,但他有電中性,因為正負電荷一樣多。現在給這個球體在同一位置射入2個電子,這兩個電子怎麼分布呢,應該在這個球的兩極,一邊一個。但這兩個分布在兩極的電子是我們射入的電子嗎,不是的,而是原本在兩極附近的電子在由於射入電子導致的電場下重新分配的結果。所以是電場導致了電荷的重新分布,電荷本身的移動速度很小。如果在一個一光年直徑的球旁邊突然多了一個帶電小球,那電荷的重新分布需要一年的時間,因為電場按光速傳播。這在現實生活中是不可能發生的,你不能突然就產生電荷,小球在移動到大球附近時電場已經在傳播,大球中的電子已經在重新分布。下圖是一個直徑為2mm的球接近一個直徑為10mm的球的過程中電荷的分布,兩球中心相距10mm,小球帶1C正電荷,大球原本不帶電:
大球上紅色代表正電荷密度大,藍色代表負電荷密度大。線的顏色從黃到藍代表了電壓由高到低。
在絕緣體中自由電子很少,電流當然就很少,這就是為什麼它能絕緣。拿空氣舉例,空氣中的電子很少,所以正常情況下他是絕緣體,當空氣擊穿時,空氣被電離出大量自由電子,變成導體,這就是題主說的世界上沒有絕對的絕緣體,只有不努力的電壓。
所以絕緣體能絕緣是因為其沒有自由電子,而不是它對電子的運動的阻礙作用更大。( 本答案結論適用於高壓絕緣工程應用, @Flyfish 指出在微觀領域中有改變電子遷移速率從而改變電阻的例子。)-------------------------------------------------------------------------------為什麼導體中自由電子多,而絕緣體中比較少呢能帶理論:
量子力學描述了電子不能以任意的能量值存在。所以,電子必須要有固定的能級,這些能級中間的部分電子是不能存在的。大量的臨近的能級稱為能帶。 原子數不同,這些能帶也是不同的。材料中的電子總是想去最低的能態去保證整個原子的總能量最小,但根據泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),它們不可能都到最低的能態。 所以電子從低能帶往高能帶依次排列。在這些能級中有個叫費密能級(Fermil level)的,它的位置和能帶結構對導電性是非常重要的。低能態的軌道被固定數目的電子佔據,很難脫離原子核的束縛,而高能態的軌道始終沒有電子,只有在費密能級附近的能級中的電子可以自由地移動。因為金屬有很多能級靠近費密能級,就是說它有它有很多的電子可以自由運動,就是它的電導高。
金屬
金屬中有包含很多原子的晶格,每個晶格都有電子殼,這些電子會很容易脫離它的母原子從而在晶格之間自由移動。當一個電壓載入在金屬兩端時,電場會導致電子定向移動,形成電流,這個速度非常小,上面已經計算過了。但是由於金屬裡面有很大密度的電子,所以電磁波在金屬中是按光速傳播的。這個機理就好像是撞球。中間三個球不動,第一個球撞上第二個球後,能量迅速傳導到了第五個球半導體
在半導體中,費密能級穿過能帶隙,而在非參雜的半導體材料中,大概是最低導帶和最大價帶中間一半的位置。在0K時,沒有自由電子,電阻無限大,有一定溫度後,電子運動加劇。在參雜的半導體中,參雜原子會通過給導帶電子或者接收了價帶的電子而產生了空穴傳導電流(謝謝@Flyfish 提供的正確翻譯) 。高參雜的半導體近似金屬。
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絕緣體失去其絕緣性能稱為電擊穿。氣體,固體,液體的擊穿機理是不一樣的。
氣體絕緣體:
被電場加速的某電子劇烈碰撞氣體原子,導致某電子脫離母原子,這時候已經有了兩個電子,被擊出的電子和原電子在電場作用下加速繼續擊打其他原子,就像細胞分裂一樣,形成電子崩產生大量的自由電子還有離子,氣體就導電了。這是直流輝光放電的原理圖。題主的想法很有意思,實際情況還真有點類似。題主的這個問題,牽涉到許多高深的理論。我們走馬觀花地瀏覽一下吧。我們都知道原子是由原子核和電子構成的,並且電子在核外按層分布。顯然,原子的質量越大,對外層電子的控制能力越弱;原子的外層電子越少,丟棄電子的傾向也越強。因此,從元素周期表來看,單質元素的電負性從左往右越來越強,從下往上也越來越強。
很遺憾題主的想法是不對的。題主的想法是一種經典思維,即使用經典力學的觀念去解決與微觀粒子相關的問題。物體導電與否取決於其能帶結構。在晶體中,處於周期勢場下的電子,其薛定諤方程的解是的形式是bloch 函數。最後簡化下來就是能帶結構,及分立的能級。能帶反應了晶體中電子受束縛的程度,導帶中的電子近似自由電子,參與導電,價帶中的電子受束縛程度高,無法參與導電。導帶和價帶間的能量差稱為禁帶。絕緣體的禁帶寬度很大,導帶中沒有電子,價帶中的電子很難遷越至導帶。當然如果電壓足夠大(電場足夠強)還是可以激發價帶電子到導帶的。說了這麼多,估計題主也不大明白。但是題主的求知慾望是值得肯定的,如果真的對物理感興趣大學的時候可以選擇半導體、電子等相關的專業,通過學習更高層次的物理知識來解決心中的疑惑。切莫以為高中課本上的牛頓力學和經典電磁理論就是物理學的全部了。
作為一個國內絕緣top5高校的博士,以及一個正在大學教絕緣技術的老師,我只想說,不要看那個贊最多的老師的回答。那個峰峰的掃了一眼就答上要點了。絕緣體主要是沒有足夠的載流子,而不是載流子在介質內的速度慢。其實對於固體電介質而言,遷移率慢也是固體絕緣的一個原因
貌似高中的時候老師就給分析過,電流的傳播其實是電場先以光速分布在導體中然後電子移動,但是電子移動的速度不是電流的速度。
記得當時書上還有個例題,計算在一米長的銅導線中電子從這頭傳播到那頭需要多久,當時理解了好久,因為答案是幾天還是幾小時(太久了忘記了),老班(物理老師)還開玩笑說如果電子移動速度就是電流的速度的話那你開個電燈得等幾個小時燈才亮。。。。。題主不妨想像一下自來水管,你一開水龍頭就有水出來了,水庫里也有水減少了,但水龍頭處剛流出的水不是水庫里剛減少的水,因為水管里還有水,只是你不開水龍頭前它沒有動而已題主挺愛思考的,中學的時候是有最多怪點子的時代了。電荷傳輸問題也是當代電學領域的主要問題之一。關於這個問題題主猜對了一半,沒有絕對的絕緣體也沒有絕對的導體,半導體也占著非常重要的地位。所謂的絕緣體,如題主所說一方面是電荷,或者說載流子傳說速度較慢,另一方面其實是數量較少的原因。所以你的解答可以加上另一半的解讀方向:如果電壓不變,絕緣體能不能變得導電?當然了,這個答案是肯定的。電荷是高中的廣義概念,下面的半導體中我們用載流子來代替。當代半導體器件中想去提高其電流,那麼最基本的方向如上所述有兩個,第一提高載流子傳輸速度,也就是提高遷移率,因為每種材料中的載流子遷移率都是不同的;第二就是提高載流子數量。那麼問題來了,「絕緣體是不是只是讓電荷移動速度變慢?」在我的專業領域裡這個答案確實是否定的,也就是說確確實實存在著很多(記住是很多,而且十分重要的)材料載流子傳輸速度(遷移率)很高但常態下還是絕緣體。那麼如上所加的提問「如果電壓不變,絕緣體能不能變得導電?」就可以解答,我們可以通過各種方法(如光照,溫度,電場)改變上述物質的載流子數量從而達成電壓不變而使電流增大,從而使該物質變成導體的目的。所以題主「世界上沒有絕對的絕緣體,只有不努力的電壓」也只說對了一半,有時候也可以說光照(溫度,電場)不努力。
電阻率(電導率)的決定因素有兩個,自由電荷密度與載流子遷移率。對於金屬來說,其自由電荷密度遠遠大於一般的高聚物陶瓷一類的絕緣體。絕緣體能夠阻隔電流絕不是因為遷移率低,而是主要因為其電荷密度極低。按你的設想,最終的結果還是電極兩端導通,電導率還是金屬本身的電導率,因為這個結構並沒有改變載流子濃度和載流子遷移率,按照導體絕緣體半導體的定義,其電導率並沒有改變,實質上還是導體,只不過這個結構相比一般的結構來說,實現導通的時間慢了很多而已。to be clear,再強調一點,任何討論都是基於穩態的情況下,如果按你的說法,一般的結構在通電的無限短的時間內也可以看作絕緣體,這顯然是荒謬的。
一個簡單的問題弄那麼複雜幹嘛,題主的問題就是絕緣體的產生,是不是由於其中電流運動相對導體太慢而導致的。
回答就是不是,至少就主流的學說來說,解釋絕緣體和導體差別的是能帶理論,這裡也不需要特別介紹能帶理論,只需要說一下其結論,那就是絕緣體和導體的差別是由於其中載流子的差別,導體裡面有很多載流子,能運載電荷,絕緣體裡面則幾乎沒有載流子,所以無法運輸電荷,也就無法導電。
你要把電荷看作一個較抽象的概念,它的移動是需要依賴於載流子的移動,做個類比就是電流比方說是貨物,載流子是船,要在兩個島之間運輸貨物就需要船,導體裡面有很多船,貨物就可以很快的運輸過去,而絕緣體裡面沒有船,貨物就運不過去。
至於題主所說的「沒有絕對的絕緣體,只有不努力的電壓」,這是由於電離效應的存在而導致的,所有的物質都包含電子、原子核這類帶電的粒子,而電子在輸入大量能量的情況下,會被激發,令原子或分子電離,形成自由電子和離子,這些都是良好的載流子,所以就是說電壓夠高,就可以創造出載流子來,絕緣體就可以導電了,而不是說電壓高了,電荷移動速度會變快。似乎和題主的問題有點遠。。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~多謝前輩的建議,對原答案進行修改~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~題主大學如果修固體物理或者半導體物理的課程,會對此問題有更深的理解。根據能帶理論,能帶分裂為價帶和導帶。價帶與導帶之間是禁帶,沒有電子分布。金屬費米能級位於導帶之上,導帶半滿,或者導帶與價帶重疊。因此金屬的導帶中存在大量自由電子,電場作用下形成大量定向移動電荷,即電流。
載流子太少,沒有足夠的自由電子,沒有足夠的空穴;不是快慢的問題。
首先回答提到的兩個問題:1. 電荷傳遞有速度,是對的2. 電荷受到阻礙大,移動速度慢,因此絕緣,這句話對了一半。另外,沒有絕對的絕緣體,只有不努力的電壓,說的是材料的擊穿,並非電導。電導也是絕緣材料的固有屬性。只要有電壓,就有電流,只不過是大小的問題電導率表達公式:
挺好的,好羨慕高中生,還可以思考這麼多問題,現在看著書照著推公式都推不出來。反正現在只要是高檔次文章,別人說什麼我就信什麼。好了,不說了,又到飯點了
關鍵詞:電流概念 粒子模型 電子躍遷 禁帶 導帶電子定向移動即形成電流。而粒子模型,即粒子外層電子的分布以及怎樣運動。當外層電子獲得能量收到激發,如果禁帶長度適宜;電子有足夠的能量跨過禁帶,完成傳遞,即為導體。否之則為絕緣體或半導體。具體還要看導帶是否有空位,電子。我靠 對於粒子模型有點模糊了,有興趣可以去查下資料
所以我認為,題主說的遷移率小就絕緣了是不全面的。
要判斷是不是絕緣體還是得用能帶論啊,給出能帶和費米能級(電子0k從能量低到高能填到哪裡),能判斷是否絕緣,加多少電壓能導電,根據能帶的形狀能算出電子(載流子)的速度,載流子數量也是能給出的。
絕緣體的問題事實上實在太複雜了 要弄清楚牽涉太多的半導體理論 量子理論,實在不是一句兩句能說得清楚的
本人大四微電專業學生一枚,與電壓電流打了四年的交道。首先,區分絕緣體、半導體、導體的標準在於材料的電阻率。而電阻率又由材料的載流子濃度和載流子遷移率所決定。從微觀角度來說,金屬原子原子核束縛力較小,逸出功小,電子容易逸出成為自由電子,在電場的推動下形成電流。而絕緣體原子或者分子上的電子由於各種對其的束縛力,很難脫離束縛形成自由電子,即使有電場存在也沒有電子被推動形成電流。大致就是這樣的道理。
題目和內容牛頭不對馬嘴。莫名其妙。
電阻是一個人為規定的物理量。題主說的電阻等效看成電荷移動慢其實對於初高中解題,便於具體理解是有幫助的。但是對於其中內部科學來講,完全不對。首先電荷移動速度是光速,這個題主也是承認的。其次,導體是否利於導電是其中的可以自由移動的電子數量有關,也就是說這個是材質電阻不同的根本原因。至於微觀來講,由於不同材質每個原子核對於核外電子的束縛能力不同,導致同樣的能量場(電壓)下,移動的電子少了,所以體現是電流小了,此處可以理解成電子經過每個原子核時候都要付出的代價更大,所以體現為一定能量使不同材質移動的電子數量不同,最終表現為電流小。換句話說,如果按照題主的想法,只是電荷移動速度慢下來的話,脫離電源,這部分能量儲存在這個導體中,那麼必然導致電流繼續存在,而且電阻越大,存在時間會越長,根據常識,我們知道,這種現象並不存在,脫離電壓就沒有了電流。
一個後天要考材料物理性能的苦逼材料狗怒答 絕緣體表面在外電場作用下會感應屏蔽電流,使其內部電場為零。但電荷不能在絕緣體中自由流動,所以在外電場作用下,絕緣體內部電場不為零,正負電荷分布的中心分離,從而產生電偶極矩,即發生了電極化,所以絕緣體又稱為電介質。由於滿帶中的電子沒有活動的餘地,即便是禁帶上面的能帶完全是空的,在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶。也就是說電子不能趨向一個擇優方向運動,即不能產生電流。具有這種能帶結構的材料是絕緣體
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