1.1 什么是電

1.1.1 從摩擦生電說起

在初中物理課演示實驗中，我們用梳子梳理干燥的頭發(fā)時會發(fā)出響聲，如果在黑暗中，還會看到一些細(xì)小的火花，若把梳子放到一小撮紙屑旁，紙屑就會被梳子吸起來，如圖1-1（a）所示。

從古希臘人第一次發(fā)現(xiàn)電以后，在1600年左右，英國女皇的侍醫(yī)吉爾伯對摩擦起電現(xiàn)象做了試驗，證明除琥珀外，還有硫磺、樹脂、水晶、玻璃和金剛石等，摩擦之后也能吸引又輕又小的物體，于是摩擦就被公認(rèn)為是物體帶電的原因。在200多年以前，美國著名科學(xué)家富蘭克林通過試驗研究又進(jìn)一步證實，經(jīng)過摩擦后物體所帶的電有兩種，分別稱作正電和負(fù)電。玻璃、寶石和絲綢摩擦后，在玻璃、寶石上呈現(xiàn)的電是正電；而膠木、琥珀和毛皮摩擦后呈現(xiàn)在膠木、琥珀上的電為負(fù)電。有趣的是，帶有正電的物體能把另外一種帶有正電的物體推開，如圖1-1（b）所示；相反，它卻能吸引帶負(fù)電的物體，如圖1-1（c）所示。于是，人們總結(jié)出電的一個重要規(guī)律：同電相排斥，異電相吸引。

1.1.2 電的產(chǎn)生機理

世界是物質(zhì)的，自然界的一切物質(zhì)都是由分子組成的，分子又是由原子組成的。每一種原子都有一個處在中心的原子核，在原子核周圍有若干個電子沿著一定的軌道做高速旋轉(zhuǎn)運動，原子核是帶正電的，而電子是帶負(fù)電的。在原子未受外力作用時，原子核所帶的正電荷與外層電子所帶的負(fù)電荷相等，原子對外界處于平衡狀態(tài)，不顯示電性。

不同的原子，其原子核的質(zhì)量和它周圍的電子數(shù)目是不同的。如銅原子核內(nèi)有29個帶正電的質(zhì)子，核外有29個帶負(fù)電的電子。電子作四層分布，最外層只有一個電子，如圖1-1（d）所示。

那些處在最外層軌道上的電子，由于它們距離原子核比較遠(yuǎn)，受到原子核的束縛力比較弱，在受到外界因素（如熱、光、機械力）影響時，很容易脫離自己的軌道，擺脫原子核的束縛，成為自由電子。銅、鋁等金屬物質(zhì)都具有不穩(wěn)固的外層電子，在常溫下就會脫離軌道成為自由電子（例如，每1cm3銅中包含8×1032個自由電子）。

如果原子失掉一個或幾個外層電子，它的電平衡就被破壞了，正電荷多于負(fù)電荷，這個原子就帶正電；同理，飛出軌道的電子被另外的原子所吸收，另外的那個原子就帶負(fù)電。這就是電的產(chǎn)生機理。

1.1.3 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

1. 導(dǎo)體

能良好地傳導(dǎo)電流的物體叫做導(dǎo)體。用導(dǎo)體制成的電氣材料叫做導(dǎo)電材料，金屬是常用的導(dǎo)電材料。除了金屬以外，其他如大地、人體、天然水和酸、堿、鹽類以及它們的溶液，都是導(dǎo)電體。

金屬之所以能夠良好地傳導(dǎo)電流，是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。金屬原子最外層的電子與原子核結(jié)合得比較松散，因此這部分電子很容易脫離自己的原子核，和別的原子核結(jié)合，失去電子的原子又會有新的電子來結(jié)合，這樣一連串的過程就是導(dǎo)電的過程。銀的電阻系數(shù)最小，導(dǎo)電性能最好，但由于其價格昂貴，只在極少數(shù)地方（如開關(guān)觸頭等處）采用，一般電氣設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電材料是銅和鋁。

還有一些材料雖然能導(dǎo)電，但電阻系數(shù)較大，人們常常把它作為電阻材料或電熱材料應(yīng)用于某些電器中，比如用作電爐或電烤箱中的電熱絲等。

2. 絕緣體

不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力極差的物體叫做絕緣體。由于絕緣體的原子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)體不同，它的電子和原子核結(jié)合得很緊密，極難分離，將此類物質(zhì)接上電源時，流過的電流極小（幾乎接近零）。我們可以利用它的絕緣作用把電位不同的帶電體隔離開來。

一般來講，對絕緣體材料的要求是：具有極高的絕緣電阻和耐電強度，具有較好的耐熱和防潮性能，同時應(yīng)有較高的機械強度，工藝加工方便等。

空氣是大家十分熟悉的，它作為一種天然的絕緣材料被人們廣泛地利用，紙、礦物油、玻璃、云母、橡膠和陶瓷等都是應(yīng)用非常廣泛的絕緣材料。近年來，由于有機合成工業(yè)的興起，各種各樣的絕緣材料不斷問世，為新型電氣設(shè)備的制造提供了良好的條件。

絕緣材料在電和熱的長期作用下，特別是在有化學(xué)腐蝕的情況下，會逐步老化，降低它原有的電氣和機械性能，有時甚至可能完全喪失絕緣性。所以經(jīng)常檢查絕緣性能是電氣設(shè)備維修中的主要工作之一。絕緣電阻是絕緣材料的主要技術(shù)指標(biāo)。常常用兆歐表來測量設(shè)備的絕緣電阻，一般低壓電器設(shè)備的絕緣電阻應(yīng)大于0.5MΩ，對于移動電器和在潮濕地方使用的電器，其絕緣電阻還應(yīng)再大一些。

3. 半導(dǎo)體

所謂半導(dǎo)體，顧名思義，就是它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物都是半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同條件下有很大的差別。例如有些半導(dǎo)體（如鈷、錳、鎳等的氧化物）對溫度的反應(yīng)特別靈敏，環(huán)境溫度增高時，它們的導(dǎo)電能力要增強很多，利用這種特性就做成了各種熱敏電阻。又如有些半導(dǎo)體（如鎘、鉛等的硫化物與硒化物）受到光照時其導(dǎo)電能力變得很強，無光照時又變得像絕緣體那樣不導(dǎo)電，利用這種特性就做成了各種光敏電阻。

更重要的是，如果在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)后，它的導(dǎo)電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍。例如在純硅中摻入百萬分之一的硼后，硅的電阻率就從大約2×103Ω·m減小到4×10-3Ω·m左右。利用這種特性就做成了各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、三極管、場效應(yīng)管及晶閘管等。