Re: [請益] 決定材料電阻值的因素
※ 引述《skyyen999 (yen9)》之銘言：
: 不同的材料會有不同的電阻值
: 例如說 銀<銅<石墨<木頭
: 請問是什麼原因決定他們電阻值的高低
工程材料分為 金屬 陶瓷 高分子 複合材料 這四大材料
而依導電度/電阻率可分為 導體,半導體,絕緣體
這三者間並非界線分明
而是依各種材料在導電度/電阻率大小不同的程度所做的人為歸類
其中在材料電性學上的定義之一是:
常溫(25℃)下
導電度(σ) 電阻率(ρ) 能隙(Energy gap)
單位:(ohm*m)^(-1) 單位:ohm*m 單位:eV
導體 10^4 以上 10^(-4)以下 0.15 以下
半導體 10^(-4) ~ 10^4 10^(-4) ~ 10^4 0.15 ~ 4
絕緣體 10^(-4) 以下 10^4 以上 4 以上
例如常溫下銀的導電度為63*10^6 (ohm*m)^(-1) 是最佳的導電材料
純矽的導電度為2*10^4 是半導體工業最主要的原料
石墨平行方向的導電度約為10^6, 垂直方向約為10^4 屬於一般良導體
而同為碳元素的鑽石導電率低於10^(-4) 為電的不良導體 屬於絕緣體
碳的另一同素異形體Buckyball(C60) 常溫下未摻雜時為絕緣體
當添加鹼金屬形成K3-C60,Rb3-C60或Cs3-C60時 導電度上升變為半導體
若再降至非常低溫(臨界溫度分別為18K,29K,33K)下時
會進一步變成零電阻率,導電度無限大的超導體,因此Buckyball的應用可能性相當廣
導電度/電阻率/能隙 是一個材料的同一物理性質 材料改變時三者永遠同步同比例變化
而決定此電性高低的因素 就在於各種材料的微觀結構
金屬材料為金屬鍵 價電子完全處於自由漂移狀態 因此價帶與導電帶近乎重疊
能隙極小 故所有金屬皆為優良導體
共價陶瓷,離子陶瓷和高分子材料多為絕緣體 能隙超過價電子所能躍至導電帶
但有少數導電陶瓷與導電高分子
超導體分為三類,純金屬超導,合金或金屬間化合物的高場超導
以及離子陶瓷超導 包括最著名的朱經武的YBaCuO
其中真正有實用價值的只有高場超導 目前被用於醫療器材的磁共振造影儀(MRI)
而複合材料的部份 以最普遍的金屬基複合材料為例 是將金屬和陶瓷結合
以得到金屬的高延性和陶瓷的高強度 但也因此導電度一定低於純金屬
共價陶瓷中的石墨導電方式頗為特殊 石墨為層狀結構 層內為共價鍵
因為每個碳有四個價電子 最多可形成四個共價鍵 但石墨層中為簡單六方結構
每個碳實際只接觸三個碳原子 因此會有π共振 形成三個１⅓共價鍵
利用共振 即使沒有自由電子仍能傳導電荷
而由於共振是在層內 層與層之間為次鍵的微弱凡得瓦力連結
因此層的平行方向導電度比垂直方向高了一百倍
這是較淺顯的微觀結構影響電性的例子
而在金屬當中導電度高低的情形也是由微結構決定
常溫下導電度最高的幾種物質依序為 銀>銅>金>鋁
其導電度分別為63*10^6 59.6*10^6 45.2*10^6 37.8*10^6 (ohm*m)^(-1)
而當一材料用於實際用途時 例如纜線使用的銅
其純度及加工量對導電度也有非常顯著的影響
只要內部有微量(0.1%)的點缺陷 就會造成金屬導電度大幅的下降
因此用於輸電的銅線不採用固溶強化 而塑性加工後也一定會熱處理消去內部點缺陷
: 在低溫狀態超導體物質可以達到零電阻
: 那在常溫之下 有比銀電阻還低的東西嗎？
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05/22 19:25,
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05/22 20:21,
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答案是沒有
常溫下目前所有元素與化合物中 銀是電阻率最低,即導電度最高的
因此只討論工程材料或自然存在之物質時 亦是如此 (並不是什麼諾貝爾問題)
而目前看來 新元素已不會再有突破的物理性質 況且也無法作為工程材料
而新化合物材料方面 超導體的臨界溫度也早已被認為達到極限
且就算再製出更高溫的超導體 實用價值已不如後起的新技術 現在已退出研究主流
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05/22 21:23,
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如前所述 複合材料由於含有非金屬 電阻率一定比金屬高 更不用說是銀
而所有物質中 除了極低溫時零電阻率的超導體以外
常溫下 答案是沒有
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05/22 21:27,
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不知你指的是否共價鍵和離子鍵鍵結時的原子間交換電子
如果是的話那決定的就是電負度
這個問題和導電度/電阻率就沒有關係了
電負度越大的元素吸引電子的傾向越大 電負度最大的元素是氟 電負度值定義為4
一般而言非金屬元素電負度大於2 金屬元素電負度小於2
而共價鍵和離子鍵的區別如同導體,半導體,絕緣體 也只是電負度差值在程度上的差異
當兩相同元素鍵結時 由於電負度差值為0 對價電子引力完全相同 定義為純共價鍵
而二電負度相近的元素鍵結時 價電子仍視為被兩原子共用 但偏向一方 稱為極性共價鍵
而當電負度差值較大時 其中一方將電子吸引到非常靠近己方 視為電子被奪走
形成陰離子和陽離子 這時就稱為離子鍵
大部分鍵結都介於共價鍵和離子鍵之間 電負度差值越大 則離子性越強 共價性越弱
如H2為100%共價性 屬純共價鍵
HF電負度差1.8 有55%的共價性 45%的離子性 屬於極性共價鍵
NaCl電負度差2.3 共價性27% 離子性73% 已被歸類於離子化合物
100%離子性的純離子鍵並不存在
當然導電度的問題和化學鍵間電子親和力的問題 以上都只考慮最簡單的因素
事實上還有許多其他因素的作用 無法在此篇一一列舉
希望有回答到您的問題^^"
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