问题

在通常意义的真空下可以导电吗?

回答
在我们日常理解的“真空”状态下,也就是说,一个完全不存在物质的纯粹空间,它是无法导电的。导电的根本在于物质中存在可以自由移动的载流子,比如电子或离子。而纯粹的真空,顾名思义,就是缺少这些必需的载流子。

我们可以从几个方面来详细说明:

1. 导电的本质:自由载流子

金属导电: 大多数我们熟悉的导体,比如铜、银、铝,它们之所以导电,是因为在金属晶体结构中,最外层电子(价电子)并不牢固地束缚在某个原子上,而是形成了一个“电子海”。这些电子可以相对自由地在金属内部移动。当我们施加电压时,这些自由电子就会沿着电场方向定向移动,形成电流。
电解质导电: 比如溶解在水里的盐(氯化钠)。盐在水中会电离成带正电的钠离子(Na⁺)和带负电的氯离子(Cl⁻)。这些离子虽然不像金属中的电子那样“自由”,但在电场作用下,它们会在溶液中移动,从而导电。
气体导电: 气体在正常情况下很难导电,因为气体分子之间的距离远,且通常是电中性的。但如果对气体施加足够强的电场,或者通过电离(比如紫外线照射、高温)使气体分子变成带电的离子和自由电子,那么气体就能导电。这就是我们看到的闪电、霓虹灯发光等现象。

2. 真空的“纯粹”性

理想真空: 在理想状态下,真空意味着没有任何原子、分子、离子或自由电子存在。就像一个完全清空的房间,没有可以传递“信号”的媒介。
实际真空: 在现实世界中,我们能制造的“真空”往往是“部分真空”或“高真空”。即使是最先进的真空技术,也无法达到绝对的“零物质”状态。但即使是这些高度真空的环境,其物质密度也极低,远低于气体。

3. 为什么真空不能导电?

基于上述导电的本质,我们可以得出结论:

缺乏自由载流子: 在一个理想的真空环境中,根本就没有电子、离子等可以自由移动的带电粒子。没有载流子,电流就无从形成,自然也就无法导电。
绝缘的本质: 所有的绝缘体,其共同特点就是缺乏能够自由移动的载流子。真空就是最极致的绝缘体。

4. “穿过”真空的电荷?

或许有人会想到,我们能否让电荷“穿过”真空?答案是:可以,但这不是真空本身的导电性。

电子发射: 如果我们在真空的两端放置金属电极,并在其中一个电极上通过加热(热电子发射)或施加强电场(场致发射)使其发射出电子,那么这些电子就可以在真空空间中飞行,从一个电极运动到另一个电极,形成电流。但这并不是真空在导电,而是发射出来的电子在真空这个“空旷通道”里运动。 就像你把球扔过一个空房间,球在运动,房间本身并没有“传球”的能力。
电离的风险: 如果施加的电压足够高,足以在极低的剩余气体分子上引起电离,那么就可能产生带电粒子,从而在真空设备内部形成弧光放电。但这同样是因为剩余物质被电离后导电,而不是真空本身导电。

总结来说,在通常意义下的真空(一个不存在自由带电粒子的空间),它是绝对无法导电的。导电需要物质的存在,并且这些物质中需要有可以自由移动的带电粒子。真空之所以是绝缘的,正是因为它缺乏这一切。

我们通常在电子管、显像管、真空包装等应用中看到“真空”被用作绝缘或允许电子/离子自由运动的通道,但这都是利用了真空的“空”来避免干扰,而不是真空本身具有导电性。

网友意见

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@平板车的简化模型@幽灵@潇洒的一把梭@孟德君@三岁苦练翻旧账@wdszj@1000米恐惧症@diaodiaoidaoidao@风缘尘月 等知友的邀请。(我知道你们想看什么,但我觉得不需要等我,你们大多数都有能力自己来的)

反对 @Patrick Zhang 的回答,因为里面有明显错误。

先回答题主的问题。注意这里讨论的『真空』不是量子场论意义上的真空。如果将题目中的『导电』理解为『电荷在空间中定向移动』的话,那么(没有气体分子)的真空无疑是可以导电的。举个例子:对于真空中的两个金属电极板,我们可以通过在它们上面施加足够大的电势差来获得电流,也可以利用光电效应和比较小的电势差来获得电流。对于更现实一点的情况,即仍存在部分气体的稀薄真空,其所需要的击穿电压在一定的条件范围内可以用巴申定律(Paschen’s law)来定量描述。巴申定律的具体形式见下文。

为了节省时间,我这里就把 @Patrick Zhang 回答中的其中一个主要错误说一下。

@Patrick Zhang 在其回答中所写的巴申定律表达式

,式1

是错的。

巴申定律描述的是在固定温度下的击穿电压,它的表达式是不含有温度变量 ,如下

这在很多相关的教科书中都可以查到,比如Principles of plasma discharges and materials processing中的第14章(截图见文末,注意其中的分母部分跟我上面写的是两种等价的形式,压强单位是托里拆利Torr)。

@Patrick Zhang 自己在回答中所引用的关于系数 和 的图片(如下)也可以看出巴申定律的击穿电压表达式是不含有温度的。这一点就体现在系数 的量纲(即单位)上。首先,我们知道在物理学的方程中,函数 和其中的 都必须是无量纲数。因此,在分母中的系数 的量纲必须和压强 以及距离 的量纲互相抵消,这也就是为什么下图中系数 的单位是 。同理,分子中的系数 的量纲跟压强 以及距离 的量纲互相结合后要剩下电压的量纲,因此下图中系数 的单位才会是 。

@Patrick Zhang 在表达式中加入温度变量后,整个式子的量纲是完全错误的。更可笑的是, @Patrick Zhang 还自作聪明地将温度设定为298 K代进错误的式子计算得到

,式2

我很难想象,一个自诩为『高级电气工程师』的人面对一百多年前就已经被发现的定律以及如此清晰的数据表,居然还能写下如此不负责任的错误计算。在工程实践中这种态度是可以导致严重后果的。

温度对击穿电压的影响本身就已经隐含在系数之中了,这也是为什么图中的数据表需要强调是常温下的系数数值。在物理上我们当然可以继续将巴申定律推广到显含温度变量的情况,那样同时会导致系数的量纲发生变化,但绝不是像 @Patrick Zhang 这样直接把温度塞进原方程里然后拿着量纲一团混乱的错误方程就开始装模作样地『计算』。(我把文末这段话加黑强调一次)


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在巴申定律中引入温度变量

刚刚看了张工 @Patrick Zhang 的回答,说实话觉得还是受益匪浅,学到不少知识。根据看到的截图,之前其中可能的确存在量纲的问题,已经有答主 @卢健龙 明确指出了,这个指正我觉得是对的。但我琢磨了一下,觉得张工那个含有温度变量的击穿电压公式,应该问题不大,只是可能叫做巴申定律有点不严谨吧。下面准备写一下我的一个理解。

一句题外的话,我觉得纯学术性的争论包括质疑,无疑都是有益的,这正符合科学精神,也是科学发展的原动力。当然,尽量针对问题本身、少针对人为好。看了好几个@卢健龙有关@Patrick Zhang的帖子,从我的角度看,其中学术观点大部分都正确的,但我对看客们的表现并不以为然,因为发现不少所谓粉丝,其支持或反对的对象都是无条件固定的,并不怎么去看具体的内容。这个,很不符合科学的精神。“故好而知其恶,恶而知其美者,天下鲜矣”,这话的确对。

1、巴申定律

2、巴申定律中引入温度变量

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