电导体

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　　（本文根据 CC-BY-SA 协议转载自原搜狗科学百科对英文维基百科的翻译）

图 1：架空导线将电力从发电站输送给客户。

　　在物理和电气工程中，电导体是一种允许电荷（电流）在一个或多个方向流动的物体或材料。金属材料是常见的电导体。在某些情况下，电流是由带负电的电子流、带正电的空穴和正负离子产生的。

　　为了使电流流动，一个带电粒子不必从产生电流的机器运动到消耗电流的机器。相反，带电粒子只需以一个有限的推理轻推它相邻的粒子，相邻粒子间就会不停地轻推，直到一个粒子被轻推进入消费者体内，从而给机器供电。本质上，正在发生的是移动电荷载流子之间的一长串动量转移；德鲁伊传导模型更严格地描述了这个过程。这种动量转移模型使金属成为导体的理想选择，因为金属的特点是拥有离域的电子海洋，这使电子有足够的移动性碰撞，从而实现动量转移。

　　如上所述，电子是金属的主要动力；然而，诸如电池的阳离子电解质、或燃料电池质子导体的可移动质子的其他装置，都依赖于正电荷载体。绝缘体是不导电的材料，只有很少的移动电荷，只支持微小的电流。

1. 电阻和电导

图 2：两端都有电触点的一块电阻材料。

　　给定导体的电阻取决于它的材料和尺寸。对于给定的材料，电阻与横截面积成反比[1]。例如，粗铜线的电阻比相同的细铜线低。此外，对于给定的材料，电阻与长度成正比；例如，长铜线比其他相同的短铜线具有更高的电阻。因此，等截面导体的电阻 $R$ 和电导 $G$ 可以计算为[1]

\begin{equation} \begin{aligned} R &= \rho \frac{\ell}{A}, \\\\ G &= \sigma \frac{A}{\ell}~. \end{aligned} \end{equation}

其中 $\ell$ 是导体的长度，以米（m）为单位，A 是导体的横截面积，以平方米（$m^2$）为单位，$\sigma$ 是以西门子每米($s.m^{-1}$)为单位测量的电导率，$\rho$ 是材料的电阻率(也称为电阻率)，以欧姆米($\Omega.m$)为单位测量。电阻率和电导率是比例常数，因此仅取决于导线的材料，而不是导线的几何形状。电阻率和电导率是倒数:$\rho = \frac{1}{\sigma}$。电阻率是材料抵抗电流能力的量度。

　　这个公式并不精确:它假设导体中的电流密度是完全均匀的，这在实际情况中并不总是正确的。然而，这个公式仍然为长细导线(如电线)提供了一个很好的近似值。

　　这个公式不精确的另一种情况是交流电（AC），因为趋肤效应会抑制导体中心附近的电流流动。然后，几何横截面不同于电流实际流动的有效横截面，因此电阻高于预期。类似地，如果两个导体携带交流电流彼此靠近，它们的电阻会由于邻近效应而增加。在商用电源频率下，这些效应对于承载大电流的大导体很重要，例如变电站的母线[2] 或承载数百安培以上电流的大电力电缆。

　　除了导线的几何形状之外，温度对导体的效能也有显著影响。温度在两个主要方面影响导体，第一是材料在受热时会膨胀。材料膨胀的量由特定材料的热膨胀系数决定。这种膨胀(或收缩)将改变导体的几何形状，从而改变其特征电阻。然而，这种影响通常很小，约为 $10^{-6}$。温度的升高也会增加材料中产生的声子数量。声子本质上是晶格振动，或者更确切地说，是材料原子的一个小的谐波运动。很像弹球机的震动，声子用来扰乱电子的路径，导致它们散射。这种电子散射将减少电子碰撞的次数，因此将减少传输的电流总量。

2. 导体材料

图 3

　　导电材料包括金属、电解质、超导体、半导体、等离子体和一些非金属导体，如石墨和导电聚合物。

　　铜具有高导电性。退火铜是所有其他电导体比较的国际标准；国际退火铜标准电导率为 58 MS/m，尽管超纯铜可能略高于 101% IACS。电气应用(如建筑电线、电机绕组、电缆和母线)所用的铜的主要等级是耐电解沥青(ETP)铜(CW004A 或美国材料试验学会（ASTM）指定 C100140)。如果必须焊接或铜焊或在还原气氛中使用高导电率铜，则可以使用无氧高导电率铜(CW008A 或 ASTM 指定 C10100)[3]。因为铜易于焊接或夹紧连接，所以铜仍然是大多数轻型电线最常见的选择。

　　银的导电率比铜高 6%，但是由于成本的原因，在大多数情况下银是不实用的。然而，它被用于特殊设备，如卫星，并作为薄镀层，以减轻高频趋肤效应损失。众所周知，第二次世界大战期间，由于战时铜的短缺，从财政部借来的 14，700 短吨(13，300 吨)银被用于制造卡鲁顿磁铁。

　　铝线是电力输配中最常见的金属。虽然铜的导电率只有横截面积的 61%，但其密度较低，导电率是其质量的两倍。由于铝的重量约为铜的三分之一，因此当需要大导体时，其经济优势相当可观。

　　铝布线的缺点在于其机械和化学性能。它很容易形成绝缘氧化物，使连接变热。它的热膨胀系数比用于连接器的黄铜材料大，导致连接松动。铝也可能 “蠕变”，在负载下缓慢变形，这也会导致连接断开。这些影响可以通过适当设计的连接器和安装中的额外小心来减轻，但是它们使得铝建筑布线在服务中断后不受欢迎。

　　有机化合物，如辛烷，有 8 个碳原子和 18 个氢原子，不能导电。石油是碳氢化合物，因为碳具有四椭圆的性质，并与其他元素如氢形成共价键，它不会失去或获得电子，因此不会形成离子。共价键只是电子的共享。因此，当电流通过时，离子不会分离。所以液体(石油或任何有机化合物)不能导电。

　　虽然纯水不是电导体，但即使是一小部分离子杂质，如盐，也能迅速将其转化为导体。

3. 线规

　　电线是通过它们的横截面积来测量的。在许多国家，大小以平方毫米表示。在北美，较小的导体用美国线规测量，较大的导体用圆形密耳测量。电线的大小有助于以下参量。

4. 导体载流量

　　导体的载流量，即它能承载的电流量，与其电阻有关:电阻较低的导体能承载较大的电流值。电阻反过来又由导体的材料(如上所述)和导体的尺寸决定。对于给定的材料，横截面积较大的导体比横截面积较小的导体电阻小。

　　对于裸导体来说，最终极限是电阻导致导体熔化的功率损失点。然而，除了保险丝之外，现实世界中的大多数导线都远低于这个极限。例如，家用电线通常用 PVC 绝缘，其额定工作温度仅为约 60℃，因此，必须限制这种电线中的电流，使其不会将铜导体加热到 60℃以上，从而导致火灾风险。其他更昂贵的绝缘材料，如特氟隆或玻璃纤维，可以在更高的温度下工作。

5. 各向同性

　　如果向材料施加电场，并且产生的感应电流方向相同，则该材料被称为各向同性电导体。如果产生的电流与施加的电场方向不同，则该材料被称为各向异性电导体。

6. 参考文献

　　 [1] ^"Wire Sizes and Resistance" (PDF). Retrieved 2018-01-14..

　　 [2] ^Fink and Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, pages 17–19.

　　 [3] ^"High conductivity coppers (electrical)". Copper Development Association (U.K.). Archived from the original on 2013-07-20. Retrieved 2013-06-01..