电源于原子中的电子流动。绝缘体锁住电荷，金属却让电子自由穿梭。简单实验带你看清导体与绝缘体的区别，探索电的本质。

我想为电子爱好者打造一套易懂的课程。目标读者是那些厌倦了过于简单的比喻，却又不想扎进满是术语和高等数学的学术书里的人。今天，我们不妨退后一步，聊聊一个中学里未必能讲透的问题：电到底是什么？为什么有些材料能“传电”，而有些不能？

说到原子的结构，大多数人应该都不陌生：一个由中子和质子组成的核心，被一群电子包围，这些电子分层住在不同的“壳”里。科普文章或视频里常会用 Niels Bohr 在1918年提出的模型来解释，虽然有点老套，但直观好懂。他把电子想象成绕着原子核跑圈的小家伙。可如今我们知道，电子并不是真的在绕圈，而是待在一些奇形怪状的“轨道”上，这些轨道其实是某种波函数的解，跟经典力学里粒子的路径完全不是一回事。

如果这听起来有点玄乎，别担心，事情只会更复杂。到了亚原子尺度，我们对宇宙的理解并不让人满意。量子力学给了我们一堆能预测粒子行为的方程，但这些方程跟我们对宏观世界的直觉完全不搭边。我们不清楚这些方程是某种更深层现实的粗糙近似，还是宇宙本身就是一堆怪数学。越试图用直觉去解释，反而越跑偏。比如，很多 YouTube 科普视频会说电子在绕核旋转或者自旋，但实际上，被束缚的电子压根儿没在“动”，它更像是一种弥漫在空间里的静电场分布。

不过对电子学来说，轨道的形状倒没那么关键。这在化学里更重要，能帮我们预测物质性质或化学反应。对我们而言，只需记住一点：每个原子或分子有一定数量的电子，分在不同的壳里就行。原子核的细节也可以先放一边。简单说，核子靠一种超强但距离极短的力——残余强力——黏在一起。这种力来自质子和中子的构造，它们又由更奇特的夸克组成。但这些跟电子学没太大关系，我们只要知道地球上的原子核大多由恒星核聚变形成，在电子学的时间尺度里稳定得很。

更值得关注的是，原子结构还受一种较弱但影响范围广的静电力塑造。这种力只对某些带电粒子起作用。所谓“电荷”，是这些粒子的固有属性：质子永远带正电，电子永远带负电，中子则不掺和。同性相斥、异性相吸，所以原子核里的质子能拉住同样多的电子。这些电子被原子核伸出的静电场“抓住”，于是形成一个不带净电荷的稳定原子。

量子力学还有个重要发现：描述电子状态的参数是“量子化”的，只能取特定值，或者按固定间隔跳跃。为什么会这样？没人能完全讲明白。我们只知道这些量子数对应某种凭空想出的三维波函数的驻波解。这模型确实管用，比其他理论都靠谱，可它到底意味着什么，没人说得清。总之，电子在原子里的能量级别是分级的，只能从一级跳到另一级，没法停在中间，所以才有了从低到高排列的电子壳。

但为什么电子不一股脑儿挤进能量最低的内壳呢？这就得提一提 Pauli 排斥原理。电子的状态由几个参数决定，每个电子得保持“独一无二”，不能参数全相同。就像每层壳的座位有限，一旦低级别参数组合用完，下一个电子只能往更高一层的壳里挤。

在大多数情况下，最内层电子老实得很，能量低，被原子核绑得死死的，受外界影响也小。外层的价电子就不同了，它们能量高、粘性弱。比如化学反应里，原子就是靠交换或分享这些电子连系起来。以共价键为例，两个原子的部分电子会跳进一个新的、多原子共享的轨道。离子键则更直接，一个原子丢电子，另一个捡走，靠产生的静电场黏在一起。

即便没化学反应，价电子也不难被弄出来。大家都体验过摩擦起电——家里偶尔被静电“电”一下就是这么来的。这现象还没完全搞懂，但我们知道，不同材料的分子形状和排列会影响它们对电子的“吸引力”。当两种材料碰在一起，电子可能随机跑过去一点。如果赶紧分开，有些电子就困在了不属于它们的地方。这种电荷失衡很微小，比如挪动1011个电子就够你被电一下。听起来不少？但一盎司食盐里的电子大概是这个数的81万亿倍。换句话说，这就像从伊利湖里舀了一桶水。

这就引出了绝缘体：在这种固体里，价电子能被扯到表面或沉积下来，可一旦到了那儿就动弹不得，没法穿透材料内部。原因通常是附近分子的壳里没空位，电子想动只能被撞到更高能量状态。

金属就完全不一样了。原子挤成密集的晶格，外层轨道稀稀拉拉，几乎连成一片，遍布整个材料，不再有绑定单一原子核时那种分明的能量级。价电子在这儿能随便滑来滑去。静电力还是会把大部分电荷锁在导体里，但除此之外，金属的表现就像一团自由流动的电子气。

导体的关键特点是静电荷能迅速平衡。想象一下：你从导线一端拽走一个电子，再从另一端塞回去，其他电子立刻因为相互排斥跑开。如果持续这么干，电子就会沿着导线缓缓漂移。这就是电流——电荷的运动。通过静电场，这些电子的移动能驱动电子元件干活儿。

不过得说清楚，电荷平衡很快，单个电子的漂移却慢得很。电场传播接近真空光速(每秒30万公里)，但在铜线里，电子平均时速也就几厘米。打个粗糙的比方，就像喊话：声音早传过去了，可单个空气分子还没飞到对面。

除了金属里的导电，还有别的形式。比如真空里，热激发能让电子飞一段距离；在等离子体或强极性溶剂中，移动的离子也能导电。这些在现代电路里不常见，以后有机会再细聊。

本文译自 lcamtuf，由BALI编辑发布。