金属电导和导热系数(也叫热导)之间有数学关系,叫做魏德曼—弗兰兹定律(Wiedemann-Franz Law)在不太低的温度下,金属的导热系数与电导率之比正比于温度,其中比例常数的值不依赖于具体的金属。

用公式表示即为:\kappa  /\sigma =W,其中\kappa 为导热系数,\sigma 为电导率,W为一个不依赖于具体金属而与温度有关的常数。

之后洛伦兹(Lorenz)将这个公式推广为:\kappa /(\sigma T)=L,T为热力学温度,L为洛伦兹常数。L=2.45\times 10^{-8} V^{2} /K^{2} .

当然,这个规律只是在温度较高的情况下成立,在温度较低时,L就不再是常数了。

通常的金属材料可以这样来看待,原子核和内壳层电子组成的原子实(也可以简称为原子)因为它们之间的相互吸引作用(离子晶体是库伦作用、原子晶体是化学键作用,分子晶体是范德瓦耳斯力或氢键作用)按照规则排布(不考虑缺陷),不能随便运动(不然的话材料就散开,不再是固体了),最外层电子受原子核的束缚作用较小,可以在整个金属中自由运动(量子力学能带理论的结果)。

在通常的金属材料中(不考虑重费米子金属、半金属等复杂情况),起导电作用的是自由电子,在电场的作用下,自由电子会沿着电场的反方向运动(其实是一个费米球漂移,用玻尔兹曼方程描述,这里可以简单地这么理解),自由电子越多,受到的散射(受到晶格缺陷等障碍阻止其沿着电场方向运动,这些散射也是电阻产生的根源)越少,导电性就越好。

在通常金属中起导热作用的有两个部分。其一也是自由电子,热电子会在温度场下扩散(也用玻尔兹曼方程描述,把电场变成温度梯度场即可)。简单地说就是温度高的自由电子会运动加快,它们会迅速向四处扩散,和冷电子(温度低的电子)通过碰撞交换能量,把热量传导开来。同导电性一样,自由电子越多,受到的散射越少,电子的导热性就越好。其二是晶格振动,在金属(其他晶体材料也是一样)中,原子实虽然不能自由运动,但它们可以在格点(晶体结构给他们规定的准确位置)周围作微小的集体振动(原子之间是有相互作用的,就相当于手拉着手,一个原子振动也会带动其他原子振动),形成格波(类似于集体舞),可以把它们看成一种准粒子(其实并不存在,但和粒子的作用一样)——声子。温度高的地方晶格振动更加剧烈,也可以将热量传导到温度低的地方,可以认为是高温的地方产生的声子扩散到低温的地方。在低温的时候,晶格振动不太剧烈,声子数目较少,它们之间相互碰撞的可能性也较少(可以这么认为),平均自由程(一个声子在两次碰撞之间运动的距离)长,晶格导热能力也就较强。在温度较高时,晶格振动剧烈,声子很多,相互碰撞的几率大大增加,声子的平均自由程也大大减小,晶格导热能力也大大降低,所以就可以忽略了。而自由电子运动的速度很快,电子的平均自由程主要取决于声子和电子的碰撞(也即电子和振动的晶格原子的碰撞),而不是电子和电子的碰撞,所以一般金属的电导随温度升高而降低,这是电子和声子的一个很大的不同,必须要注意。

总之,在温度较高时,晶格热导可以忽略,主要是电子热导起作用,而电子热导和电子电导在一定的温度下是成正比的(都取决于自由电子的数目和平均自由程),所以电导和导热系数也就成正比。而温度较低时,必须要考虑晶格热导,魏德曼—弗兰兹定律就不再成立了。

题主的这个问题是固体物理(凝聚态物理)的一个基本问题,正好是我的专业,而我好久都没有答过物理问题了,所以才有这么一答。考虑到题主可能不是物理专业的,所以我尽量采用了通俗一点的说法来解释这个问题,没有完全从专业的角度来谈(说到了一些专业术语,如玻尔兹曼方程、准粒子、平均自由程)。当然,一旦通俗,很多地方就难免不太严谨,但道理的确是这样,是没有大错误的。要真正把这个问题搞清楚,就必须要懂《固体物理》才行,这个问题必须要综合利用《固体物理》中几个不同板块的知识才能解释清楚。

不知道能不能解决题主的困惑,有什么问题可以找我交流,不足之处,还请批评指正,谢谢!

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:Feng Yang

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