1.4 铜的结构

1.4 铜的构成

电流通常流经导线。铜 是电力工业中应用最广泛的材料之一。因此，我们研究它的构成。蓝铜矿、孔雀石等矿物含有不同比例的铜。不同的矿物含有铜（图1.5），我们使用不同的工艺来提炼不同纯度的铜。

图 1.5 铜矿物。来源：维基共享资源，免费使用许可 [4]

铜原子包含29个质子和35个中子。在原子核周围的不同轨道上有29个电子（图1.6）。原子从外部看是中性的，因为每个质子带一个正电荷，每个电子带一个负电荷，两者电荷量相等。由于物质是由原子组成的，因此它也是中性的。

图 1.6 铜的电子壳层。来源：作者自制

两个沿圆形轨道运动的电子占据了第一能级。这些电子被紧紧束缚在原子核上。这是由于该能级非常靠近原子核，质子和电子之间存在强大的电吸引力。第二能级包含另外8个电子。这些电子沿圆形和椭圆形轨道运动（图1.6）。在此轨道中，原子核内的质子与电子之间的吸引力较小。这是由于它们之间的距离较大。因此，该能级电子的能量比前一能级的高。第三能级包含18个沿圆形和椭圆形轨道运动的电子。然后，第四条轨道被单个电子占据，该电子与原子核的质子结合非常松散。这正是铜原子具有特殊导电特性的原因。

一旦一个壳层或层填满，电子就会被紧紧束缚在原子核上，很难将它们从轨道上释放出来。另一方面，就铜而言，其最外层是不完整的。在这种情况下，被称为价电子的电子具有很高的迁移率，它们也可以毫不费力地改变轨道。这就是我们称它们为自由电子的原因。对于含有这些原子的材料或元素，最外层电子（自由电子）处于不断的运动中，从一个原子移动到另一个相邻原子。在电动势的作用下，原子不断失去电子并成为正离子（铜导线）。正离子吸引电子，从而建立起电子流（图1.7）。我们必须确定流动方向。该图还显示了常规电流方向，它与电子流动方向相反。

图 1.7 铜中的电子流动。来源：作者自制

当原子失去电子时，它带正电。由于它带有更多的正电荷，它变成了正离子。结果，它的状态不再是中性的，因为存在电荷不平衡。