导体

导体（英文：conductor），即具有良好的导电性能的物体。导体大致可以分为三类：金属等以自由电子导电的物体为第一类导体；酸、碱、盐等电解液为第二类导体；电离气体为第三类导体。

具有良好的导电性能的物体叫导体（conductor）。导体的特点是其内部有大量的自由电荷，这些电荷在电场的作用下能自由移动。导体导电性能的优劣用电导率

来描述，

越大，导电性能越好。银、铜、铝等金属导体的电导率都在

量级。常常把金属等以自由电子导电的物体叫第一类导体，把酸、碱、盐等电解液叫第二类导体，把电离气体叫第三类导体。

在西方，古希腊哲学家泰勒斯（Thales）记述了琥珀摩擦带电现象，但此后欧洲人记述较少。中国西汉的《春秋纬·考异邮》记述了玳瑁吸附草屑之类的轻小物体。北宋时期，沈括在《梦溪笔谈》中提到涂金粉的佛面、银扣、宝刀可以导电，窗户、漆器和刀鞘不可以导电。17世纪法国旅行家卡·戴马甘兰在游历中国后写的《中国新事》中有关于避雷针最早的纪录。十八世纪初，格雷发现了两种性质不同的物质，他将不传导电力的一类物体称作“isolant”，即绝缘体。1739年，法国物理学家德萨居利厄把物质进一步确定为两大类，并分别给它们命名导体和电介质。十八世纪中叶，美国科学家本杰明·富兰克林（英文：Benjamin Franklin）发现导体的尖端更易于放电。1773年英国物理学家亨利·卡文迪许（英文：Henry Cavendish）在导体球内表面检测不到的电荷数量推算出，电力与距离成反比的方次与2相差最多不超过2%。他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。1799年意大利解剖学家伽伐尼（意大利语：Galvani）利用导体等材料发明了伏打电堆。

德萨居利厄画像

本杰明·富兰克林画像

亨利·卡文迪许画像

金属是最常见的一类导体。金属中的原子核和内层电子构成原子实，规则地排列成点阵，而外层的价电子容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，它们构成导电的载流子。金属中自由电子的浓度很大，约10个每立方厘米，因此金属导体的电阻率很小，电导率很大。金属的电阻率为10~10欧·米，一般随温度降低而减小。金属导电过程中不引起化学反应，也没有显著的物质转移，称为第一类导体。在一定电场内，金属内部的自由电子可以定向移动，这也就是金属导电的原理。

电解质的溶液或称为电解液的熔融电解质也是导体，其载流子是正负离子。实验发现，大部分纯液体虽然也能离解，但离解程度很小，因而不是导体。如纯水的电阻率高达10欧·米，比金属的电阻率大10~10倍。但如果在纯水中加入一点电解质，离子浓度大为增加，使电阻率大为降低，成为导体。电解液的电阻率比金属的大得多，这是因为电解液中的载流子浓度比金属中的小得多，而且载流子（离子）与周围介质的作用力较大，使它在外电场中的迁移率也要小得多。电解液在通电过程中伴随有化学变化，且有物质的转移，称为第二类导体。电解液在外电场作用下，正离子向电源负极运动，负离子向电源正极运动，从而形成电流。不同的溶液导电性能差异较大。

电离的气体也能导电，其中的载流子是电子和正负离子。通常情形下气体是良好的绝缘体。如果借助于外界原因，如加热或用X射线、γ射线或紫外线照射，可使气体分子离解，成为导体。电离气体的导电性与外加电压有很大关系。气体由于外界电离剂作用下的导电称为气体的非自持放电。随着外加电压增大，电流亦增大，电压增大到一定值时非自持放电达到饱和，继续再增加电压到某一定值后电流突然急剧增加，这时即使撤去电离剂，仍能维持导电，气体就由非自持放电过渡到自持放电。气体自持放电的特性取决于气体的种类、压强、电极材料、电极形状、电极温度、两极间距离等多种因素，并有发声、发光等现象发生。条件不同，自持放电采取不同的形式，有辉光放电、弧光放电和电晕放电等。在常温低电压情况下，一般气体不导电。因为气体分子是电中性的，不带电，没有带电的载流子存在，不满足物质导电的内部条件。在高电压外电场作用下，某些气体分子被强电场分离为自由电子和正离子，形成了可移动的载流子。电子带负电向外电场高电位正极运动；而正离子带正电、由于其质量较大，所以以较慢的速度向低电位负极运动，形成气体导电原理称为气体电离导电。

物质导电的外部条件为在导体两端加有外部电场。

在电解液中，自由电荷不是电子，而是溶解在其中的酸、碱、盐等溶质分子离解成的正、负离子。在电离的气体（如日光灯中的汞蒸气）中，自由电荷也是正、负离子，而气体中的负离子也通常为电子。一切导体之所以能够导电，是因为它们内部都存在着可以自由移动的电荷，这种电荷叫作自由电荷。在不同类型的导体中，自由电荷的微观本质是不一样的。金属中的自由电荷就是自由电子。

电阻率和电导率是物质的本征参数，都可用来作为表征材料导电性的尺度。在讨论材料的导电性时，更习惯采用电导率

来表示，与电阻率相反，电导率数值越大，材料的导电性能越好。流过材料内部的电流由体积电导率决定，流经表面的电流由表面电导率决定。体积电导率主要取决于电介质材料的结构、组成和杂质含量。此外，工作环境，如气压、温度、辐射等，对体积电导率也有一定的影响。表面电导率受到外界环境的影响较大，诸如表面的水汽、灰尘等都会使得表面电导率发生较大变化，甚至跨越多个数量级。

当带电体系中的电荷静止不动，致使电场分布不随时间变化时，该带电体系就达到了静电平衡。均匀导体达到静电平衡的条件是导体内部的场强处处为零。处于静电平衡状态的导体是一个等势体，其表面是一个等势面。导体具有良好的导电性能，在静电平衡状态下，导体还具有一些性质：首先，导体是个等势体，导体表面是个等势面。电荷只能分布在导体表面，导体内部电荷处处为零。其次，导体表面附近任一点的场强的大小与该处的电荷面密度成正比。最后，导体以外靠近其表面地方的场强处处与表面垂直。

在静电场中，电场强度

沿任何闭合路径的线积分恒等于零，即

静电场环路定理表明静电场是保守场，可以引人标量势函数来描述静电场。静电场环路定理的微分形式为

.静电场强环路定理可以用来分析导体的静电特性和导体表面电荷的分布规律。

处于静电平衡状态的金属导体，其内部既不存在电场，也没有过剩电荷，所有过剩电荷都分布在导体外表面上，即可以设想，若将没有电场也没有净电荷的内部导体挖去，使其成为空心导体，这对导体上原来电荷的分布、周围电场的分布以及其内部空间场强为零的状态，都不会有任何影响。所以，能够得到这样的结论：在一个导体空腔内若不存在其他带电体，无论导体外部电场分布如何，腔内场强必定处处为零。这便是导体空腔对外部电场的屏蔽作用。

电场是一种客观存在的特殊物质，是电荷间相互作用力的传递者。电荷能激发电场，随时间变化的磁场也能激发电场。相对于观察者静止的电荷激发的电场叫静电场，它是一种保守场。电场是统一电磁场的一个方面。

电介质即绝缘介质（绝缘体）。电介质内部只有极少数的自由电子，因此不能传导电流，具有良好的电绝缘性能。将电介质放入电场中会发生极化现象，产生极化电荷（束缚电荷）。当电场强度很强且超过某一极限值（介电强度）时，电介质的电绝缘性能会遭到破坏（介质击穿）而转变成导体。良好电介质的电导率小于。

电缆作为电力工程中的主要材料，一般用于电力的传输，在电力工程中起着至关重要的作用。金属导体是电缆最重要的组成部分，通常选择导电性能优良的金属作为电缆导体，如铜、铝等。但在经过特殊的工艺处理后，铝合金导体在抗蠕变、压紧性、屈服强度、延展性及耐受外力等性能上得到大幅提高。且铝合金电缆较轻，能降低安装运输成本、压缩工期，可广泛应用于电力工程中。

铜包铝合金导体

除了传统导体材料——电缆外，还有超导体材料计划用于电力传输。现代的高压输电线的能量损耗高达10%以上，如果用超导导线替代它们，在输电过程中将没有能量损耗。然而用超导材料替代目前输电线并非易事，要在长距离上使超导体保持在临界温度以下，需要设计适当的低温系统，建造和维护它们都需要有非常专门的技术。现代世界范围内的部分研究机构正在实验室里试制小型的模拟超导输电系统。

传感器是对导体的应用之一。电流传感器是将导线绕制在单片或多片导磁铁芯上制作而成，将传感器固定在接近通过交流电流的导线或导体上，绕组两端感应出与交流电流成线性比例的交流信号，该信号经放大可与仪器仪表及自动控制系统联接，达到测量电流和自动控制的目的。用多个传感器可组成平面形、圆形、长方形、槽形等多种类型的电流传感器。具有体积小、精度高、接口方便等优点，可广泛的用于供电用电及自动控制系统。一些传感器对导体进行了运用，如感应电流式位移传感器，利用激励线圈在导体内产生电涡流，而相应的感应电涡流会影响感应线圈的输出信号，经过对该输出信号的处理计算从而实现测量；磁阻式传感器，利用导体的磁阻效应，即某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化这一原理来实现测量等。

电流传感器

避雷针采用了对“尖端放电”现象的应用。导体尖端的地方，由于电荷密集，电场很强，可使空气分子发生电离而形成大量的自由电子和离子，在一定的条件下即可导致空气击穿而发生“尖端放电”现象。变电所和高大建筑物所安装的避雷针，就是利用尖端放电原理而设置的。

避雷针

在医疗领域，导体也有相应的作用。如：导电水凝胶因具有优异的生物相容性、柔性和可调机械性能，被视为构建下一代柔性电子器件的理想材料。通过选择不同的合成方法和材料，也可定制具有特殊性能的导电水凝胶，如自愈合性、自粘附性、抗冻保湿性和抗菌性等。基于此优势，导电水凝胶在柔性传感器、柔性储能器件和柔性生理电极等领域已经取得极大进展，为医疗健康监测和软体机器人等领域提供了新的发展机遇。

导体在电磁领域也有较大作用。如：静电屏蔽在电磁测量和无线电技术中有着广泛应用，比如人在进行高压带电操作时，为了安全，需要穿上静电屏蔽服；电子仪器常采用接地的金属外壳以保护仪器内部电路不受外界电场的干扰；计算机网络传输线用金属丝网罩作为屏蔽层，以屏蔽外界对传输信号的干扰等。

静电屏蔽服