1.1 什么是电

1.1.1 从摩擦生电说起

在初中物理课演示实验中，我们用梳子梳理干燥的头发时会发出响声，如果在黑暗中，还会看到一些细小的火花，若把梳子放到一小撮纸屑旁，纸屑就会被梳子吸起来，如图1-1（a）所示。

从古希腊人第一次发现电以后，在1600年左右，英国女皇的侍医吉尔伯对摩擦起电现象做了试验，证明除琥珀外，还有硫磺、树脂、水晶、玻璃和金刚石等，摩擦之后也能吸引又轻又小的物体，于是摩擦就被公认为是物体带电的原因。在200多年以前，美国著名科学家富兰克林通过试验研究又进一步证实，经过摩擦后物体所带的电有两种，分别称作正电和负电。玻璃、宝石和丝绸摩擦后，在玻璃、宝石上呈现的电是正电；而胶木、琥珀和毛皮摩擦后呈现在胶木、琥珀上的电为负电。有趣的是，带有正电的物体能把另外一种带有正电的物体推开，如图1-1（b）所示；相反，它却能吸引带负电的物体，如图1-1（c）所示。于是，人们总结出电的一个重要规律：同电相排斥，异电相吸引。

1.1.2 电的产生机理

世界是物质的，自然界的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的。每一种原子都有一个处在中心的原子核，在原子核周围有若干个电子沿着一定的轨道做高速旋转运动，原子核是带正电的，而电子是带负电的。在原子未受外力作用时，原子核所带的正电荷与外层电子所带的负电荷相等，原子对外界处于平衡状态，不显示电性。

不同的原子，其原子核的质量和它周围的电子数目是不同的。如铜原子核内有29个带正电的质子，核外有29个带负电的电子。电子作四层分布，最外层只有一个电子，如图1-1（d）所示。

那些处在最外层轨道上的电子，由于它们距离原子核比较远，受到原子核的束缚力比较弱，在受到外界因素（如热、光、机械力）影响时，很容易脱离自己的轨道，摆脱原子核的束缚，成为自由电子。铜、铝等金属物质都具有不稳固的外层电子，在常温下就会脱离轨道成为自由电子（例如，每1cm3铜中包含8×1032个自由电子）。

如果原子失掉一个或几个外层电子，它的电平衡就被破坏了，正电荷多于负电荷，这个原子就带正电；同理，飞出轨道的电子被另外的原子所吸收，另外的那个原子就带负电。这就是电的产生机理。

1.1.3 导体、绝缘体和半导体

1. 导体

能良好地传导电流的物体叫做导体。用导体制成的电气材料叫做导电材料，金属是常用的导电材料。除了金属以外，其他如大地、人体、天然水和酸、碱、盐类以及它们的溶液，都是导电体。

金属之所以能够良好地传导电流，是由其原子结构决定的。金属原子最外层的电子与原子核结合得比较松散，因此这部分电子很容易脱离自己的原子核，和别的原子核结合，失去电子的原子又会有新的电子来结合，这样一连串的过程就是导电的过程。银的电阻系数最小，导电性能最好，但由于其价格昂贵，只在极少数地方（如开关触头等处）采用，一般电气设备中应用最广泛的导电材料是铜和铝。

还有一些材料虽然能导电，但电阻系数较大，人们常常把它作为电阻材料或电热材料应用于某些电器中，比如用作电炉或电烤箱中的电热丝等。

2. 绝缘体

不能导电或者导电能力极差的物体叫做绝缘体。由于绝缘体的原子结构与导体不同，它的电子和原子核结合得很紧密，极难分离，将此类物质接上电源时，流过的电流极小（几乎接近零）。我们可以利用它的绝缘作用把电位不同的带电体隔离开来。

一般来讲，对绝缘体材料的要求是：具有极高的绝缘电阻和耐电强度，具有较好的耐热和防潮性能，同时应有较高的机械强度，工艺加工方便等。

空气是大家十分熟悉的，它作为一种天然的绝缘材料被人们广泛地利用，纸、矿物油、玻璃、云母、橡胶和陶瓷等都是应用非常广泛的绝缘材料。近年来，由于有机合成工业的兴起，各种各样的绝缘材料不断问世，为新型电气设备的制造提供了良好的条件。

绝缘材料在电和热的长期作用下，特别是在有化学腐蚀的情况下，会逐步老化，降低它原有的电气和机械性能，有时甚至可能完全丧失绝缘性。所以经常检查绝缘性能是电气设备维修中的主要工作之一。绝缘电阻是绝缘材料的主要技术指标。常常用兆欧表来测量设备的绝缘电阻，一般低压电器设备的绝缘电阻应大于0.5MΩ，对于移动电器和在潮湿地方使用的电器，其绝缘电阻还应再大一些。

3. 半导体

所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。

半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别。例如有些半导体（如钴、锰、镍等的氧化物）对温度的反应特别灵敏，环境温度增高时，它们的导电能力要增强很多，利用这种特性就做成了各种热敏电阻。又如有些半导体（如镉、铅等的硫化物与硒化物）受到光照时其导电能力变得很强，无光照时又变得像绝缘体那样不导电，利用这种特性就做成了各种光敏电阻。

更重要的是，如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。例如在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从大约2×103Ω·m减小到4×10-3Ω·m左右。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管、场效应管及晶闸管等。