材料物理講稿第6章

1、材料的電學(xué)材料的電學(xué)材料電學(xué)性質(zhì)的來(lái)源？材料電學(xué)性質(zhì)的來(lái)源？金屬金屬導(dǎo)線導(dǎo)線陶瓷陶瓷絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體信息、控制等領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)信息、控制等領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)超導(dǎo)體超導(dǎo)體逐漸獲得工程上的應(yīng)用逐漸獲得工程上的應(yīng)用意義：通過(guò)材料的電流密度與其所處的電場(chǎng)強(qiáng)度意義：通過(guò)材料的電流密度與其所處的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為電導(dǎo)率。成正比，比例系數(shù)為電導(dǎo)率。工程中工程中相對(duì)電導(dǎo)率相對(duì)電導(dǎo)率(IACS%)表征導(dǎo)體材料的表征導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電性能。將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅的電導(dǎo)率（將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅的電導(dǎo)率（20 C下的電阻率下的電阻率 =1.72410-8 m）定義為）定義為100%，其他導(dǎo)體材料，其他導(dǎo)體材料

2、的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該材料的相對(duì)電的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該材料的相對(duì)電導(dǎo)率。例如導(dǎo)率。例如Fe的相對(duì)電導(dǎo)率僅為的相對(duì)電導(dǎo)率僅為17。設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，材料單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)，材料單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為為n，電子兩次碰撞的平均自由時(shí)間（弛豫時(shí)間），電子兩次碰撞的平均自由時(shí)間（弛豫時(shí)間）為為 ，電子的平均漂移速度為，電子的平均漂移速度為v，電子的電量為，電子的電量為e，質(zhì)量為質(zhì)量為m，則價(jià)電子受到的力，則價(jià)電子受到的力電場(chǎng)存在時(shí)，電子受電場(chǎng)力作用作加速運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)存在時(shí)，電子受電場(chǎng)力作用作加速運(yùn)動(dòng)。電子與晶格原子碰撞時(shí)停止，即運(yùn)動(dòng)受到阻力。電子與晶格原子碰撞時(shí)停止，即運(yùn)

3、動(dòng)受到阻力。自由電子與晶格中的原子碰撞是電阻的來(lái)源。自由電子與晶格中的原子碰撞是電阻的來(lái)源。Evfem其中其中l(wèi)= v為電子的平均自由程。為電子的平均自由程。meEv電流密度電流密度 EEnvnJmee2所以電導(dǎo)率所以電導(dǎo)率 vnlnmeme22成功地推導(dǎo)出了導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電子導(dǎo)電為主時(shí)，成功地推導(dǎo)出了導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電子導(dǎo)電為主時(shí)，還可推出導(dǎo)體電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系。但實(shí)際測(cè)還可推出導(dǎo)體電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系。但實(shí)際測(cè)得的電子平均自由程比理論估計(jì)的大得多。得的電子平均自由程比理論估計(jì)的大得多。與經(jīng)典自由電子理論下的電導(dǎo)率的形式相同。但與經(jīng)典自由電子理論下的電導(dǎo)率的形式相同。但其中的其中的 F、lF

4、、vF分別是費(fèi)米面附近的電子的弛分別是費(fèi)米面附近的電子的弛豫時(shí)間、平均自由程和運(yùn)動(dòng)速度。豫時(shí)間、平均自由程和運(yùn)動(dòng)速度?？梢猿晒Φ亟忉屢粌r(jià)的堿金屬的電導(dǎo)。可以成功地解釋一價(jià)的堿金屬的電導(dǎo)。但對(duì)其他金屬，如過(guò)渡金屬，其電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對(duì)其他金屬，如過(guò)渡金屬，其電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電子分布不是簡(jiǎn)單的費(fèi)米球，必須用能帶理論才電子分布不是簡(jiǎn)單的費(fèi)米球，必須用能帶理論才能解釋其導(dǎo)電性。能解釋其導(dǎo)電性。FF2F2memevnln其中其中n*稱為有效電子數(shù)，表示單位體積內(nèi)實(shí)際稱為有效電子數(shù)，表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過(guò)程的電子數(shù)，參加傳導(dǎo)過(guò)程的電子數(shù)，m*稱為電子的有效質(zhì)稱為電子的有效質(zhì)量，是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用

5、的結(jié)果。量，是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。此公式不僅適用于金屬，也適用于非金屬。此公式不僅適用于金屬，也適用于非金屬。對(duì)堿金屬，對(duì)堿金屬，n*=n，m*=m，即與自由電子的假設(shè)，即與自由電子的假設(shè)形式相同。形式相同。不同的材料有不同的有效電子密度不同的材料有不同的有效電子密度n*，導(dǎo)致其，導(dǎo)致其導(dǎo)電性的很大差異。導(dǎo)電性的很大差異。FF2F2*e*evml*nm*n價(jià)帶價(jià)帶s電子半充滿，成為傳導(dǎo)電子，所以這些元電子半充滿，成為傳導(dǎo)電子，所以這些元素都是良導(dǎo)體。電阻率只有素都是良導(dǎo)體。電阻率只有10-610-2 cm。1價(jià)帶價(jià)帶s電子充滿。由于滿帶電子不能成為傳導(dǎo)電電子充滿。由于滿帶電子不能成為

6、傳導(dǎo)電子，這些元素似乎應(yīng)為絕緣體。但在三維晶體子，這些元素似乎應(yīng)為絕緣體。但在三維晶體中，由于原子之間的相互作用，能帶交疊中，由于原子之間的相互作用，能帶交疊費(fèi)米能級(jí)以上無(wú)禁帶費(fèi)米能級(jí)以上無(wú)禁帶導(dǎo)體。導(dǎo)體。二二二二二二二二四價(jià)元素：最外層電子排布四價(jià)元素：最外層電子排布ns2np4，有未填滿的，有未填滿的p軌道，但形成固體時(shí)，通過(guò)原子間的電子共用使軌道，但形成固體時(shí)，通過(guò)原子間的電子共用使其價(jià)帶滿填。在價(jià)帶之上是空帶，其間有能隙其價(jià)帶滿填。在價(jià)帶之上是空帶，其間有能隙EgGe和和Si的的Eg分別為分別為0.67eV和和1.14eV，室溫下價(jià)帶，室溫下價(jià)帶電子受熱激發(fā)可進(jìn)入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子電子

7、受熱激發(fā)可進(jìn)入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子在在室溫下是半導(dǎo)體，在低溫下是絕緣體。室溫下是半導(dǎo)體，在低溫下是絕緣體。離子晶體：一般有與四價(jià)元素相似的能帶結(jié)構(gòu)，離子晶體：一般有與四價(jià)元素相似的能帶結(jié)構(gòu)，而而Eg很大，有效電子數(shù)是很大，有效電子數(shù)是0一般是絕緣體。一般是絕緣體。例：例：NaCl晶體，晶體，Na+離子的離子的3s電子移到電子移到Cl-離子的離子的3p軌道，使軌道，使3s成為空帶，成為空帶，3p成為滿帶，其間是成為滿帶，其間是10eV的禁帶，熱激發(fā)不能使之進(jìn)入導(dǎo)帶。的禁帶，熱激發(fā)不能使之進(jìn)入導(dǎo)帶。某些離子化合物可以在一定的溫度區(qū)間成為固態(tài)某些離子化合物可以在一定的溫度區(qū)間成為固態(tài)的導(dǎo)體，如的導(dǎo)體，

8、如 -Al2O3在在300 C有有0.35 -1cm-1的電導(dǎo)的電導(dǎo)率率不以電子而以離子為載流子。不以電子而以離子為載流子。實(shí)際晶體總有雜質(zhì)和缺陷實(shí)際晶體總有雜質(zhì)和缺陷散射電子散射電子晶格振動(dòng)：只要溫度不在絕晶格振動(dòng)：只要溫度不在絕對(duì)零度，晶體中的原子總是對(duì)零度，晶體中的原子總是以平衡位置為中心不停地振以平衡位置為中心不停地振動(dòng)，在彈性范圍內(nèi)交替聚攏動(dòng)，在彈性范圍內(nèi)交替聚攏和分離和分離晶體中任何時(shí)候晶體中任何時(shí)候都有許多原子處于與理想的都有許多原子處于與理想的平衡位置偏離的位置，對(duì)自平衡位置偏離的位置，對(duì)自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生散射。由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生散射。晶格熱振動(dòng)有波的形式，稱為晶格波或點(diǎn)陣波，晶

9、格熱振動(dòng)有波的形式，稱為晶格波或點(diǎn)陣波，其能量也是量子化的。將晶格振動(dòng)波的能量子稱其能量也是量子化的。將晶格振動(dòng)波的能量子稱為聲子。為聲子。由前面的推導(dǎo)知，電阻率由前面的推導(dǎo)知，電阻率理想晶體中無(wú)雜質(zhì)散射電子理想晶體中無(wú)雜質(zhì)散射電子，只有聲子散射電只有聲子散射電子，所以電子的平均自由程子，所以電子的平均自由程lF由聲子數(shù)目決定。由聲子數(shù)目決定。聲子數(shù)目隨溫度升高而增多，在不同的溫度范聲子數(shù)目隨溫度升高而增多，在不同的溫度范圍有不同的規(guī)律。圍有不同的規(guī)律。FF2F1*e*m1llnv其中其中 D為德拜溫度，即具有原子間距的波長(zhǎng)的聲為德拜溫度，即具有原子間距的波長(zhǎng)的聲子被激發(fā)的溫度。子被激發(fā)的溫度

10、。在在T0的情形，即金屬中不一的情形，即金屬中不一定是簡(jiǎn)單的自由電子導(dǎo)電，如定是簡(jiǎn)單的自由電子導(dǎo)電，如Zn、Fe等能帶結(jié)構(gòu)等能帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能由空穴控制傳導(dǎo)復(fù)雜，可能由空穴控制傳導(dǎo)霍爾系數(shù)反?，F(xiàn)霍爾系數(shù)反?，F(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象的揭示促進(jìn)了量子理論的建立。象。對(duì)這一現(xiàn)象的揭示促進(jìn)了量子理論的建立。peR1通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量硅材料的雜質(zhì)濃度，感量為通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量硅材料的雜質(zhì)濃度，感量為1018/m3的量級(jí)的量級(jí)硅晶體的原子濃度（單位體硅晶體的原子濃度（單位體積內(nèi)的原子數(shù)）為積內(nèi)的原子數(shù)）為1028/m3的量級(jí)的量級(jí)測(cè)量的相測(cè)量的相對(duì)精度可達(dá)對(duì)精度可達(dá)10-10的量級(jí)的量級(jí)高于所有化學(xué)分析方高于所有化學(xué)

11、分析方法法霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度Ey正比于外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又正比于外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又正比于霍爾電壓正比于霍爾電壓Vy可通過(guò)可通過(guò)Vy的測(cè)量來(lái)測(cè)量磁的測(cè)量來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度用霍爾效應(yīng)制成磁強(qiáng)計(jì)。用霍爾效應(yīng)制成磁強(qiáng)計(jì)。根據(jù)霍爾效應(yīng)還可制成霍爾器件，用來(lái)制作非接根據(jù)霍爾效應(yīng)還可制成霍爾器件，用來(lái)制作非接觸開(kāi)關(guān)和傳感器等，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控觸開(kāi)關(guān)和傳感器等，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。汞在低溫下的電阻與溫度的關(guān)系汞在低溫下的電阻與溫度的關(guān)系超導(dǎo)現(xiàn)象：某些導(dǎo)體在溫度低于某特定溫度時(shí)，超導(dǎo)現(xiàn)象：某些導(dǎo)體在溫度低于某特定溫度時(shí)，電阻突然降為零的現(xiàn)象。電阻突然降為零的現(xiàn)象。在

12、在4.2K附近電附近電阻突然降低到阻突然降低到無(wú)法檢測(cè)到的無(wú)法檢測(cè)到的程度程度1908，荷蘭，荷蘭Kamerlingh Onnes得到得到1K的低溫，的低溫，1911年他發(fā)現(xiàn)年他發(fā)現(xiàn)零電阻：超導(dǎo)態(tài)的電阻率小于目前可以檢測(cè)到零電阻：超導(dǎo)態(tài)的電阻率小于目前可以檢測(cè)到的小電阻率的小電阻率10-23 m。大多數(shù)的金屬中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，大多數(shù)的金屬中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，陶瓷和聚合物中也發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。陶瓷和聚合物中也發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度Tc：出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的最高溫度2 2 邁斯納邁斯納 (Meissner)(Meissner)效應(yīng)效應(yīng)正常態(tài)正常態(tài)(TTc)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)(TTc)TTcV、

13、Nb、Ta以外有超以外有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬都是第導(dǎo)性質(zhì)的金屬都是第類(lèi)超導(dǎo)體。類(lèi)超導(dǎo)體。M Hc H Hc稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。3 3 兩類(lèi)超導(dǎo)體和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度兩類(lèi)超導(dǎo)體和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度第一類(lèi)超導(dǎo)體第一類(lèi)超導(dǎo)體磁場(chǎng)強(qiáng)度增至臨界值磁場(chǎng)強(qiáng)度增至臨界值Hc，磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度M突然降突然降至至0，材料中出現(xiàn)磁感，材料中出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，即邁斯納效應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度，即邁斯納效應(yīng)消失，超導(dǎo)態(tài)消失轉(zhuǎn)至消失，超導(dǎo)態(tài)消失轉(zhuǎn)至正常傳導(dǎo)正常傳導(dǎo)其中其中H0是是0K時(shí)的臨時(shí)的臨界磁場(chǎng)。界磁場(chǎng)。2c0c-1TTHH可見(jiàn)臨界溫度以下只可見(jiàn)臨界溫度以下只是出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的必要是出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的必要條件，而非充分條件條件，而非充分條件

14、部分材料的臨界磁場(chǎng)部分材料的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。V、Nb、Ta以以及合金和化合及合金和化合物超導(dǎo)體都是物超導(dǎo)體都是第第II類(lèi)超導(dǎo)體類(lèi)超導(dǎo)體M Hc1 Hc2 H 外磁場(chǎng)強(qiáng)度增至外磁場(chǎng)強(qiáng)度增至Hc1時(shí)，材料的磁時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度開(kāi)始降低，使材料中出現(xiàn)化強(qiáng)度開(kāi)始降低，使材料中出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，但邁斯納效應(yīng)只部磁感應(yīng)強(qiáng)度，但邁斯納效應(yīng)只部分消失，部分超導(dǎo)態(tài)被破壞。分消失，部分超導(dǎo)態(tài)被破壞。外磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)外磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)Hc2時(shí)超導(dǎo)態(tài)被完全破時(shí)超導(dǎo)態(tài)被完全破壞，材料內(nèi)的磁化強(qiáng)度變?yōu)閴模牧蟽?nèi)的磁化強(qiáng)度變?yōu)?。Hc1和和Hc2分別稱為上、分別稱為上、下臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度下臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度第二類(lèi)超導(dǎo)

15、體第二類(lèi)超導(dǎo)體 H Hc2 正常相 混合相 Hc1 邁斯納相 Tc T 超導(dǎo)體在電流通過(guò)時(shí)也產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電流產(chǎn)生的超導(dǎo)體在電流通過(guò)時(shí)也產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)之和超過(guò)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)之和超過(guò)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc時(shí)，超導(dǎo)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，此時(shí)的電流密度態(tài)被破壞，此時(shí)的電流密度Jc稱為臨界電流密稱為臨界電流密度度保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流。保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流。外磁場(chǎng)升高，外磁場(chǎng)升高，Jc降低，當(dāng)外磁場(chǎng)為降低，當(dāng)外磁場(chǎng)為0時(shí)時(shí)Jc最大。最大。 超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)：臨界溫度超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)：臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度Hc、臨界電流密度、臨界電流密度Jc。處于超導(dǎo)態(tài)

16、的充分條件：溫度、外磁場(chǎng)、電流密處于超導(dǎo)態(tài)的充分條件：溫度、外磁場(chǎng)、電流密度都低于這三個(gè)臨界值。度都低于這三個(gè)臨界值。這三個(gè)參數(shù)的高低是超導(dǎo)體能否實(shí)用的關(guān)鍵。這三個(gè)參數(shù)的高低是超導(dǎo)體能否實(shí)用的關(guān)鍵。4 4 臨界電流密度臨界電流密度Josephson理論理論上先預(yù)言，實(shí)驗(yàn)證明上先預(yù)言，實(shí)驗(yàn)證明薄片為正常導(dǎo)體或真薄片為正常導(dǎo)體或真空也可?？找部伞? 5 約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)I 超導(dǎo) Ic 正常傳導(dǎo) 0 Vc V 由于隧道效應(yīng)，由于隧道效應(yīng)，電流可流過(guò)絕緣電流可流過(guò)絕緣體體,且兩側(cè)的超導(dǎo)且兩側(cè)的超導(dǎo)體層之間沒(méi)有電體層之間沒(méi)有電壓，整個(gè)結(jié)構(gòu)顯壓，整個(gè)結(jié)構(gòu)顯示出零電阻效應(yīng)示出零電阻效應(yīng)電流超過(guò)電流超

17、過(guò)Ic正常正常傳導(dǎo)，服從歐姆定律傳導(dǎo)，服從歐姆定律正常傳導(dǎo)態(tài)的自由正常傳導(dǎo)態(tài)的自由能是常數(shù)。超導(dǎo)態(tài)能是常數(shù)。超導(dǎo)態(tài)的自由能隨磁場(chǎng)強(qiáng)的自由能隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化。度變化。G 正常傳導(dǎo)態(tài) Gn 超導(dǎo)態(tài) Gs 0 Hc H 臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc：Gs=Gn當(dāng)當(dāng)HHc，GsGn，體系自發(fā)向超導(dǎo)體系自發(fā)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)化態(tài)轉(zhuǎn)化正常正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)是一態(tài)到超導(dǎo)態(tài)是一種相變。種相變。1 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)自由能變化自由能變化超導(dǎo)態(tài)更超導(dǎo)態(tài)更有序有序從正從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)是由一種導(dǎo)態(tài)是由一種無(wú)序的高能態(tài)無(wú)序的高能態(tài)向有序的低能向有序的低能態(tài)態(tài)“凝聚凝聚”的的過(guò)程。過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：錫的熵實(shí)

18、驗(yàn)結(jié)果：錫的熵熵變熵變自由能和熵的變化自由能和熵的變化磁場(chǎng)存在時(shí)由正常態(tài)到超磁場(chǎng)存在時(shí)由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變有潛熱放出導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變有潛熱放出一級(jí)相變。一級(jí)相變。在無(wú)磁場(chǎng)存在時(shí)，可以推導(dǎo)從在在無(wú)磁場(chǎng)存在時(shí)，可以推導(dǎo)從在T=Tc時(shí)，比熱時(shí)，比熱容有突變。容有突變。晶體結(jié)構(gòu)分析：超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有晶體結(jié)構(gòu)分析：超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有可察覺(jué)的差別?？刹煊X(jué)的差別。德拜溫度測(cè)量：未發(fā)現(xiàn)明顯的變化德拜溫度測(cè)量：未發(fā)現(xiàn)明顯的變化兩相晶格兩相晶格振動(dòng)基本相同振動(dòng)基本相同猜測(cè)猜測(cè)電子的有序度發(fā)生了變化電子的有序度發(fā)生了變化比熱容的突比熱容的突變，轉(zhuǎn)變時(shí)變，轉(zhuǎn)變時(shí)沒(méi)有潛熱沒(méi)有潛熱在無(wú)磁場(chǎng)在無(wú)磁場(chǎng)的條件

19、下的的條件下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是二級(jí)相變。二級(jí)相變。熱力學(xué)的研究結(jié)果熱力學(xué)的研究結(jié)果磁場(chǎng)下是一級(jí)相變，無(wú)磁磁場(chǎng)下是一級(jí)相變，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)為二級(jí)相變。場(chǎng)時(shí)為二級(jí)相變。相變前后未觀察到晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)的變化相變前后未觀察到晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)的變化推測(cè)超導(dǎo)相變是由電子的行為引起。推測(cè)超導(dǎo)相變是由電子的行為引起。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：“同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)”，即某超導(dǎo)體樣品的，即某超導(dǎo)體樣品的臨界溫度與他的同位素原子量的平方根成反比。臨界溫度與他的同位素原子量的平方根成反比。因?yàn)樵诱駝?dòng)的頻率與原子量的平方根成反比因?yàn)樵诱駝?dòng)的頻率與原子量的平方根成反比推測(cè)晶體離子雖然不是載流子，但其振動(dòng)（聲推測(cè)晶體離

20、子雖然不是載流子，但其振動(dòng)（聲子）可能參與了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變過(guò)程。子）可能參與了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變過(guò)程。2 超導(dǎo)轉(zhuǎn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的機(jī)理變的機(jī)理同位素效應(yīng)顯示了超導(dǎo)體中的電子行為和聲同位素效應(yīng)顯示了超導(dǎo)體中的電子行為和聲子之間有密切的聯(lián)系。子之間有密切的聯(lián)系。用不同頻率的光子照射超導(dǎo)體用不同頻率的光子照射超導(dǎo)體從超導(dǎo)體吸收從超導(dǎo)體吸收的光子頻率（能量）可以測(cè)出能隙的大小的光子頻率（能量）可以測(cè)出能隙的大小kTc的的數(shù)量級(jí)，其中數(shù)量級(jí)，其中k為玻耳茲曼常數(shù)。為玻耳茲曼常數(shù)。按按Tc=4K計(jì)算，能隙在萬(wàn)分之一計(jì)算，能隙在萬(wàn)分之一eV的數(shù)量級(jí)。的數(shù)量級(jí)。正常傳導(dǎo)正常傳導(dǎo)電子的能量是電子的能量是1eV的量級(jí)的量級(jí)超導(dǎo)相變前后電

21、子的能量只變化了原來(lái)的萬(wàn)超導(dǎo)相變前后電子的能量只變化了原來(lái)的萬(wàn)分之一左右分之一左右聲子的能量恰是這一數(shù)量級(jí)聲子的能量恰是這一數(shù)量級(jí)聲子與超導(dǎo)相變聲子與超導(dǎo)相變有密切的聯(lián)系。有密切的聯(lián)系。明確指出是電子凝聚產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，成功解釋明確指出是電子凝聚產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，成功解釋超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)和電磁性質(zhì)。超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)和電磁性質(zhì)。不能解釋為什么在不能解釋為什么在Tc溫度會(huì)開(kāi)始電子凝聚。溫度會(huì)開(kāi)始電子凝聚。從波函數(shù)和電子動(dòng)量的推導(dǎo)預(yù)言超導(dǎo)的載流子是從波函數(shù)和電子動(dòng)量的推導(dǎo)預(yù)言超導(dǎo)的載流子是電子對(duì)，并推導(dǎo)出了電子對(duì)，并推導(dǎo)出了電子對(duì)尺寸（關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度）電子對(duì)尺寸（關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度）和和邁斯納現(xiàn)象的穿透深度邁斯納現(xiàn)象的穿

22、透深度。二流體理論二流體理論London理論理論1956年年Cooper證明：費(fèi)米面附近能量分別為證明：費(fèi)米面附近能量分別為E1、E2的兩電子的兩電子1和和2，只要他們有相互吸引作用，不，只要他們有相互吸引作用，不論其作用多么弱或來(lái)自何種機(jī)制，都要形成束縛論其作用多么弱或來(lái)自何種機(jī)制，都要形成束縛態(tài)，使電子的總能量就略小于態(tài)，使電子的總能量就略小于E1+E2。一對(duì)能量和費(fèi)米能相近，動(dòng)量大小相等方向相反，一對(duì)能量和費(fèi)米能相近，動(dòng)量大小相等方向相反，自旋方向相反，相互束縛在一起的電子對(duì)稱為自旋方向相反，相互束縛在一起的電子對(duì)稱為Cooper對(duì)對(duì)庫(kù)帕對(duì)降低總能量庫(kù)帕對(duì)降低總能量穩(wěn)定穩(wěn)定大量自由電子形

23、成庫(kù)帕對(duì)大量自由電子形成庫(kù)帕對(duì)超導(dǎo)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)超導(dǎo)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)庫(kù)帕（庫(kù)帕（Cooper）對(duì)對(duì)電子是通過(guò)吸收和發(fā)射聲子形成庫(kù)帕對(duì)的，聲子電子是通過(guò)吸收和發(fā)射聲子形成庫(kù)帕對(duì)的，聲子的平均能量大約是的平均能量大約是k D，所以與費(fèi)米能相差小于，所以與費(fèi)米能相差小于k D的電子可形成庫(kù)帕對(duì)。的電子可形成庫(kù)帕對(duì)。凝聚能密度：一定溫度下庫(kù)帕對(duì)形成引起的單位凝聚能密度：一定溫度下庫(kù)帕對(duì)形成引起的單位體積材料的總能量降低值。體積材料的總能量降低值?？梢宰C明在可以證明在T=Tc時(shí)凝聚能密度為時(shí)凝聚能密度為0，隨溫度降低，隨溫度降低，凝聚能密度增大，凝聚到超導(dǎo)態(tài)的電子數(shù)增加。凝聚能密度增大，凝聚到超導(dǎo)態(tài)的電子數(shù)增

24、加。在絕對(duì)零度費(fèi)米面附近的電子全部形成庫(kù)帕對(duì)在絕對(duì)零度費(fèi)米面附近的電子全部形成庫(kù)帕對(duì)解釋了超導(dǎo)相變的原因，并可計(jì)算解釋了超導(dǎo)相變的原因，并可計(jì)算Tc。BCS理論理論正常傳導(dǎo)：載流子受到散射而損失了能量產(chǎn)生電正常傳導(dǎo)：載流子受到散射而損失了能量產(chǎn)生電阻，晶格從散射過(guò)程中獲得了能量，即焦耳熱。阻，晶格從散射過(guò)程中獲得了能量，即焦耳熱。超導(dǎo)態(tài)：組成庫(kù)帕對(duì)的電子也被散射，但這種散超導(dǎo)態(tài)：組成庫(kù)帕對(duì)的電子也被散射，但這種散射不影響庫(kù)帕對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量，只是使庫(kù)帕對(duì)得以射不影響庫(kù)帕對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量，只是使庫(kù)帕對(duì)得以維持維持電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)庫(kù)帕對(duì)的定向勻速運(yùn)電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)庫(kù)帕對(duì)的定向勻速運(yùn)動(dòng)不受阻礙，電子的能量無(wú)

25、損失動(dòng)不受阻礙，電子的能量無(wú)損失無(wú)電阻無(wú)電阻改變庫(kù)帕對(duì)質(zhì)心動(dòng)量的散射才會(huì)呈現(xiàn)電阻改變庫(kù)帕對(duì)質(zhì)心動(dòng)量的散射才會(huì)呈現(xiàn)電阻是是一種拆散庫(kù)帕對(duì)的散射一種拆散庫(kù)帕對(duì)的散射拆散庫(kù)帕對(duì)需要能量拆散庫(kù)帕對(duì)需要能量電流密度低時(shí)無(wú)法提供拆對(duì)的能量，所以能改變電流密度低時(shí)無(wú)法提供拆對(duì)的能量，所以能改變庫(kù)帕對(duì)總動(dòng)量的散射被完全制止庫(kù)帕對(duì)總動(dòng)量的散射被完全制止超導(dǎo)態(tài)庫(kù)帕超導(dǎo)態(tài)庫(kù)帕對(duì)電子受到聲子散射后又同時(shí)吸收了同樣的聲子，對(duì)電子受到聲子散射后又同時(shí)吸收了同樣的聲子，電子能量無(wú)損失，不需要外電場(chǎng)做功補(bǔ)償能量和電子能量無(wú)損失，不需要外電場(chǎng)做功補(bǔ)償能量和動(dòng)量動(dòng)量無(wú)電阻。無(wú)電阻。但從該理論通過(guò)嚴(yán)密計(jì)算得到所有超導(dǎo)體的臨界但從該

26、理論通過(guò)嚴(yán)密計(jì)算得到所有超導(dǎo)體的臨界溫度溫度Tc不超過(guò)不超過(guò)30K，現(xiàn)在已經(jīng)研制出現(xiàn)在已經(jīng)研制出Tc高于高于160K的高溫超導(dǎo)材料的高溫超導(dǎo)材料一些科學(xué)家認(rèn)為，量子理論對(duì)超導(dǎo)解釋的缺一些科學(xué)家認(rèn)為，量子理論對(duì)超導(dǎo)解釋的缺陷孕育著新的理論的出現(xiàn)，可能帶來(lái)科學(xué)的巨變陷孕育著新的理論的出現(xiàn)，可能帶來(lái)科學(xué)的巨變用于前一種場(chǎng)合的超導(dǎo)材料稱為強(qiáng)電超導(dǎo)材料，用于前一種場(chǎng)合的超導(dǎo)材料稱為強(qiáng)電超導(dǎo)材料，用于后一種場(chǎng)合的只涉及小電流和弱磁場(chǎng)，稱為用于后一種場(chǎng)合的只涉及小電流和弱磁場(chǎng)，稱為弱連接超導(dǎo)材料或超導(dǎo)電子材料。弱連接超導(dǎo)材料或超導(dǎo)電子材料。約瑟夫森器件約瑟夫森器件很弱的磁場(chǎng)就可以使通過(guò)約瑟很弱的磁場(chǎng)就可以使

27、通過(guò)約瑟夫森結(jié)的電流從最大變到最小夫森結(jié)的電流從最大變到最小超導(dǎo)量子干涉超導(dǎo)量子干涉器件器件(SQUID)可探測(cè)微弱的電磁信號(hào)?？商綔y(cè)微弱的電磁信號(hào)。日本用日本用SQUID探測(cè)腦聲刺激的反應(yīng)，能探測(cè)人腦探測(cè)腦聲刺激的反應(yīng)，能探測(cè)人腦發(fā)生的發(fā)生的1110-15T的超微弱磁場(chǎng)。的超微弱磁場(chǎng)。美國(guó)制成了目前最準(zhǔn)確的電壓標(biāo)準(zhǔn)儀器，已經(jīng)在美國(guó)制成了目前最準(zhǔn)確的電壓標(biāo)準(zhǔn)儀器，已經(jīng)在美國(guó)國(guó)家計(jì)量局作為電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了幾十年。美國(guó)國(guó)家計(jì)量局作為電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了幾十年。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)也已制造成功。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)也已制造成功。1960年起研制超導(dǎo)電纜用于輸電年起研制超導(dǎo)電纜用于輸電尚無(wú)工業(yè)規(guī)尚無(wú)工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。模的應(yīng)用。應(yīng)用

28、的主要障礙：應(yīng)用的主要障礙：Tc低實(shí)用的強(qiáng)電超導(dǎo)體低實(shí)用的強(qiáng)電超導(dǎo)體穩(wěn)定且容易加工成型的合金超導(dǎo)體。穩(wěn)定且容易加工成型的合金超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體不穩(wěn)定，一般是陶瓷，難于制成線材高溫超導(dǎo)體不穩(wěn)定，一般是陶瓷，難于制成線材臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制。臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制。超導(dǎo)體與正常導(dǎo)體的連接也比較困難。超導(dǎo)體與正常導(dǎo)體的連接也比較困難。理論不完善理論不完善超導(dǎo)臨界參數(shù)的極限？能否獲得超導(dǎo)臨界參數(shù)的極限？能否獲得Tc高于室溫的超導(dǎo)體？高于室溫的超導(dǎo)體？1986，IBM，M u l l e r 和和Bednorz：金屬氧化物金屬氧化物超導(dǎo)體。超導(dǎo)體。1987，趙忠賢趙忠賢等：等：Tc

29、達(dá)液氮達(dá)液氮溫區(qū)。溫區(qū)。2001：C60/BrH3有有機(jī)超導(dǎo)體，機(jī)超導(dǎo)體，Tc達(dá)達(dá)117K。如果導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端有溫差，則這兩端存在如果導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端有溫差，則這兩端存在電勢(shì)差，這一電勢(shì)差稱為熱電勢(shì)。電勢(shì)差，這一電勢(shì)差稱為熱電勢(shì)。假設(shè)多數(shù)載流子是電子。熱端電子能量高，冷端假設(shè)多數(shù)載流子是電子。熱端電子能量高，冷端的電子能量低的電子能量低電子自發(fā)向冷端移動(dòng)電子自發(fā)向冷端移動(dòng)熱端熱端和冷端之間形成電場(chǎng)。和冷端之間形成電場(chǎng)。電場(chǎng)抑制電子進(jìn)一步向冷端流動(dòng)電場(chǎng)抑制電子進(jìn)一步向冷端流動(dòng)建立平衡，建立平衡，平衡時(shí)熱端和冷端之間有一定的熱電勢(shì)。平衡時(shí)熱端和冷端之間有一定的熱電勢(shì)。定義材料在單位溫差下所能產(chǎn)生

30、的熱電勢(shì)的大小定義材料在單位溫差下所能產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小為材料的絕對(duì)熱電塞貝克系數(shù)（絕對(duì)塞貝克系為材料的絕對(duì)熱電塞貝克系數(shù)（絕對(duì)塞貝克系數(shù)），即絕對(duì)塞貝克系數(shù)數(shù)），即絕對(duì)塞貝克系數(shù)V：熱電勢(shì)，熱電勢(shì)，T：溫度溫度TVSddMott和和Jones用量子力學(xué)推導(dǎo)出高溫下用量子力學(xué)推導(dǎo)出高溫下k：玻耳茲曼常數(shù)；玻耳茲曼常數(shù)；e：電子電量；電子電量； ：電導(dǎo)率；：電導(dǎo)率；E：能量，能量，EF：費(fèi)米能。費(fèi)米能。F)(lne3k22EEEETS絕 對(duì) 塞 貝 克絕 對(duì) 塞 貝 克系 數(shù) 分 別 為系 數(shù) 分 別 為SA、SB的導(dǎo)的導(dǎo)體體A、B的之的之間的電動(dòng)勢(shì)間的電動(dòng)勢(shì) EAB=SAB T其中其中SAB=

31、SA-SB 稱為導(dǎo)體稱為導(dǎo)體A、B間的相對(duì)塞貝克間的相對(duì)塞貝克系數(shù)；系數(shù)； T為溫差。為溫差。以同種材料組成回路，則產(chǎn)生的熱電勢(shì)相以同種材料組成回路，則產(chǎn)生的熱電勢(shì)相互抵消，無(wú)熱電流產(chǎn)生?；サ窒瑹o(wú)熱電流產(chǎn)生。主要應(yīng)用主要應(yīng)用測(cè)溫。測(cè)溫。要求：材料具有大的熱電系數(shù)，熱電勢(shì)穩(wěn)定，具要求：材料具有大的熱電系數(shù)，熱電勢(shì)穩(wěn)定，具有良好的重現(xiàn)性。有良好的重現(xiàn)性。R型熱電偶（型熱電偶（PtRh-Pt）常用于高溫測(cè)量。常用于高溫測(cè)量。K型熱電偶（型熱電偶（NiCr-NiAl）常用于中溫測(cè)量。）常用于中溫測(cè)量。低溫測(cè)量常用低溫測(cè)量常用T型熱電偶（銅康銅）和型熱電偶（銅康銅）和J型熱型熱電偶（鐵康銅）。電偶（鐵

32、康銅）。更高溫度的測(cè)量可用鎢錸熱電偶，在惰性或干更高溫度的測(cè)量可用鎢錸熱電偶，在惰性或干燥氫中其使用溫度可達(dá)燥氫中其使用溫度可達(dá)2760 C，短時(shí)間可至，短時(shí)間可至3000 C。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小特殊場(chǎng)合特殊場(chǎng)合高山高山上、南極、月球和太空上、南極、月球和太空已經(jīng)使用和正在開(kāi)發(fā)的熱電材料都是半導(dǎo)體：已經(jīng)使用和正在開(kāi)發(fā)的熱電材料都是半導(dǎo)體：低溫區(qū)低溫區(qū)(300400 C)：Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、Sb2Se3、ZnSb以及他們的復(fù)合體。以及他們的復(fù)合體。中溫區(qū)中溫區(qū)(400700 C):PbTe、SbTe、Bi(SiSb) 2、Bi2(GeSe)3。在高

33、溫區(qū)在高溫區(qū)( 700 C)：CrSi2、MnSi1.73、FeSi2、CoSi、Ge0.7Si0.3、 -AlBi2。實(shí)用的溫差發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到實(shí)用的溫差發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到12以上。以上。電能電能熱能：珀耳帖效應(yīng)焦耳熱熱能：珀耳帖效應(yīng)焦耳熱?焦耳熱焦耳熱向環(huán)境放熱向環(huán)境放熱珀?duì)柼麩徵隊(duì)柼麩釋?dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之間形導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之間形成溫差，即電流使導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之成溫差，即電流使導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之間形成熱流間形成熱流是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程實(shí)用裝置用半導(dǎo)實(shí)用裝置用半導(dǎo)體，其中體，其中n型和型和p型半導(dǎo)體通過(guò)金型半導(dǎo)體通過(guò)金屬電極連接

34、屬電極連接不影響制冷效率，不影響制冷效率，但提高元件吸熱但提高元件吸熱面積并方便加工。面積并方便加工。中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體定律：熱電偶接入兩端熱電偶接入兩端無(wú)溫差時(shí)，因中無(wú)溫差時(shí)，因中間導(dǎo)體不產(chǎn)生熱間導(dǎo)體不產(chǎn)生熱電勢(shì)，不影響熱電勢(shì)，不影響熱電偶的熱電勢(shì)。電偶的熱電勢(shì)。電子制冷裝電子制冷裝置的原理圖置的原理圖導(dǎo)體或半導(dǎo)體導(dǎo)體或半導(dǎo)體載流子濃度大，載流子在外電載流子濃度大，載流子在外電場(chǎng)的作用下作長(zhǎng)程定向遷移場(chǎng)的作用下作長(zhǎng)程定向遷移絕緣體：載流子濃度很低，在外電場(chǎng)的作用下一絕緣體：載流子濃度很低，在外電場(chǎng)的作用下一般看不到宏觀的載流子長(zhǎng)程定向遷移，但會(huì)產(chǎn)生般看不到宏觀的載流子長(zhǎng)程定向遷移，但會(huì)產(chǎn)

35、生沿電場(chǎng)方向的電偶極矩或原來(lái)電偶極矩在外電場(chǎng)沿電場(chǎng)方向的電偶極矩或原來(lái)電偶極矩在外電場(chǎng)作用下改變，稱為極化作用下改變，稱為極化電介質(zhì)：在外電場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生極化的物質(zhì)。電介質(zhì)：在外電場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生極化的物質(zhì)。1 極化的概念極化的概念Q=qA= 0EA= 0VA/dq：?jiǎn)挝幻娣e的電荷數(shù)，即電荷密度；：?jiǎn)挝幻娣e的電荷數(shù)，即電荷密度；A：平板：平板的面積；的面積；E：電場(chǎng)強(qiáng)度；：電場(chǎng)強(qiáng)度； 0：真空中的介電常數(shù)；：真空中的介電常數(shù)；d：平板間距；：平板間距；V：平板間的電壓。：平板間的電壓。所以真空平板電容器的電容所以真空平板電容器的電容dAVdVAVQC000 r稱為該材料的相對(duì)稱為該材料的相對(duì)

36、介電常數(shù)，介電常數(shù)， = r 0稱稱為材料的介電常數(shù)。為材料的介電常數(shù)。dAdACC0r0r電容增加的原電容增加的原因：電介質(zhì)在因：電介質(zhì)在電場(chǎng)中產(chǎn)生了電場(chǎng)中產(chǎn)生了極化極化正極正極板附近的電介板附近的電介質(zhì)感生出負(fù)電質(zhì)感生出負(fù)電荷，負(fù)極板附荷，負(fù)極板附近的電介質(zhì)感近的電介質(zhì)感生出正電荷。生出正電荷。這種電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)這種電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。象稱為電介質(zhì)的極化。極化產(chǎn)生了一個(gè)和外電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，使電介質(zhì)極化產(chǎn)生了一個(gè)和外電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，使電介質(zhì)中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)比外電場(chǎng)小，從而引起電荷的存儲(chǔ)中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)比外電場(chǎng)小，從而引起電荷的存儲(chǔ)能力增加，即

37、電容增加。能力增加，即電容增加。極性分子電介質(zhì)：沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中正極性分子電介質(zhì)：沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中正負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心不重合，分子中存在電偶極子，負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心不重合，分子中存在電偶極子，如如H2O、SO2、H2S、NH3、CO分子等；分子等；非極性分子電介質(zhì)：沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中非極性分子電介質(zhì)：沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中正負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心重合，分子中不存在電偶極正負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心重合，分子中不存在電偶極子，如子，如H2、N2、CH4分子等。分子等。極性分子的電偶極子的偶極矩為極性分子的電偶極子的偶極矩為 =ql q：分子中正、負(fù)電荷重心所含的等效電量，：分子中正、負(fù)電荷重

38、心所含的等效電量，l：正、負(fù)電荷重心的距離。正、負(fù)電荷重心的距離。2 與極化相關(guān)的物理量與極化相關(guān)的物理量外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的非極性分子的正、負(fù)外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的非極性分子的正、負(fù)電荷的重心產(chǎn)生分離，產(chǎn)生電偶極矩電荷的重心產(chǎn)生分離，產(chǎn)生電偶極矩電介質(zhì)電介質(zhì)在垂直于外電場(chǎng)的表面上產(chǎn)生一定密度的正負(fù)電在垂直于外電場(chǎng)的表面上產(chǎn)生一定密度的正負(fù)電荷荷非極性分子電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下的極化非極性分子電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下的極化定義電介質(zhì)中單位體積內(nèi)的所有電偶極矩的矢量定義電介質(zhì)中單位體積內(nèi)的所有電偶極矩的矢量和為（電）極化強(qiáng)度和為（電）極化強(qiáng)度V為電介質(zhì)的體積，為電介質(zhì)的體積， 為其中的電偶極矩。

39、為其中的電偶極矩。VP電極化強(qiáng)度不僅與外電場(chǎng)有關(guān)，還和極化電荷電極化強(qiáng)度不僅與外電場(chǎng)有關(guān)，還和極化電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)：所產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)： P= e 0E其中其中 e稱為電極化率，稱為電極化率，E為作用于電介質(zhì)的實(shí)際為作用于電介質(zhì)的實(shí)際有效電場(chǎng)強(qiáng)度。有效電場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)平板電容器，有對(duì)平板電容器，有 E=E0+E 其中其中E0為外電場(chǎng)的強(qiáng)度，為外電場(chǎng)的強(qiáng)度，E 為電介質(zhì)表面的束縛為電介質(zhì)表面的束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。另一方面，均勻無(wú)限大電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度為另一方面，均勻無(wú)限大電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度為真空中的真空中的1/ r，即，即其中其中 為極板上的自由電荷密度。為極板上的自由電荷

40、密度。0000-PEEE所以所以 = 0 rErrEE00 P=-0E=0rE-0E=(0r-0)E=(-0)E寫(xiě)成矢量式，有寫(xiě)成矢量式，有P+ 0E= E D=P+ 0E為電位移矢量或電感應(yīng)強(qiáng)度矢量，則有為電位移矢量或電感應(yīng)強(qiáng)度矢量，則有000EEEDr即在充滿電場(chǎng)的均勻電介質(zhì)中，電位移矢量等即在充滿電場(chǎng)的均勻電介質(zhì)中，電位移矢量等于自由電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)乘以于自由電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)乘以 0。又可推知又可推知 P= e 0E=( - 0)E e= r-1即電極化率和相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系。即電極化率和相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系。電子質(zhì)量很小，電子質(zhì)量很小，對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)很對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)很快，能夠以光頻快，能夠以光頻

41、隨外電場(chǎng)變化。隨外電場(chǎng)變化。3 電介質(zhì)極化的機(jī)制電介質(zhì)極化的機(jī)制在外電場(chǎng)作用下，電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位在外電場(chǎng)作用下，電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移，使原子的正負(fù)電荷重心不再重合，產(chǎn)生相對(duì)移，使原子的正負(fù)電荷重心不再重合，產(chǎn)生相對(duì)位移。這種極化稱為電子位移（形變）極化。位移。這種極化稱為電子位移（形變）極化。電子、離子的位移極化電子、離子的位移極化固體中的正負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下向相反方向移固體中的正負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下向相反方向移動(dòng)，偏離平衡位置，形成感生偶極矩。也可認(rèn)為動(dòng)，偏離平衡位置，形成感生偶極矩。也可認(rèn)為離子晶體正負(fù)離子的鍵距在電場(chǎng)方向上被拉長(zhǎng)。離子晶體正負(fù)離子的鍵距在電場(chǎng)方向上被拉

42、長(zhǎng)。由于離子的質(zhì)量比電子的大得多，其極化建立時(shí)由于離子的質(zhì)量比電子的大得多，其極化建立時(shí)間也遠(yuǎn)比電子慢，約為間也遠(yuǎn)比電子慢，約為10-1210-13s。極性分子電介質(zhì)的分子偶極矩在外電場(chǎng)作用下沿極性分子電介質(zhì)的分子偶極矩在外電場(chǎng)作用下沿外加電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生宏觀偶極矩的極化。外加電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生宏觀偶極矩的極化。取向極化需較長(zhǎng)的時(shí)間，在取向極化需較長(zhǎng)的時(shí)間，在10-210-10s離子晶體離子晶體高分子鏈高分子鏈此外還有電子、離子弛豫極化和空間電荷極化等此外還有電子、離子弛豫極化和空間電荷極化等極化機(jī)制。極化機(jī)制。交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)電介質(zhì)反復(fù)建立極化再去極化，電電介質(zhì)反復(fù)建立極化再去極化，電流和

43、電壓不再同相位，而相位差與極化機(jī)制（極流和電壓不再同相位，而相位差與極化機(jī)制（極化建立的快慢）和電場(chǎng)交變頻率有關(guān)?；⒌目炻┖碗妶?chǎng)交變頻率有關(guān)。在理想平板真空電容器上加上角頻率在理想平板真空電容器上加上角頻率 =2 f的的交流電壓交流電壓U=U0ei t則在電極上出現(xiàn)電荷則在電極上出現(xiàn)電荷 Q=C0U= C0U0ei t ，1 1 復(fù)介電常數(shù)和介電損耗復(fù)介電常數(shù)和介電損耗其回路電流其回路電流UCiUCitQIti000Cedd電容電流電容電流IC比電壓比電壓U超前超前90相位相位而取向極化及電子、離子弛豫極化則需較長(zhǎng)時(shí)間，而取向極化及電子、離子弛豫極化則需較長(zhǎng)時(shí)間，使電流和電壓的相位差不再

44、是使電流和電壓的相位差不再是90 。C= rC0IC = r IC仍比電壓仍比電壓U超前超前90相位。相位。實(shí)際介電材料實(shí)際介電材料與理想介電材料不同，其電導(dǎo)與理想介電材料不同，其電導(dǎo)率不為零，介質(zhì)中的電流一般包括三部分：率不為零，介質(zhì)中的電流一般包括三部分：1、由幾何電容的充電和位移極化引起的瞬時(shí)電、由幾何電容的充電和位移極化引起的瞬時(shí)電流流Ic，其相位比電壓，其相位比電壓U超前超前90 ，是容性電流；，是容性電流；2，3、由松弛極化引起的吸收電流、由松弛極化引起的吸收電流Iac和由電導(dǎo)和由電導(dǎo)（漏電）引起的剩余電流（漏電電流）（漏電）引起的剩余電流（漏電電流）Idc，其，其位相與電壓位相與

45、電壓U相同，是電流中的電導(dǎo)分量。相同，是電流中的電導(dǎo)分量。其中其中II=Iac+Idc是電流中的是電流中的電導(dǎo)分量。電導(dǎo)分量。 IT=Ic+Iac+Idc =Ic+II 總電流比總電壓超總電流比總電壓超前前 =90- 度，其中度，其中 稱為損耗角。稱為損耗角。由于由于 Ic=i CU II=GU其中其中G為電導(dǎo)。所以為電導(dǎo)。所以其中其中A為極板的面積，為極板的面積，d為電介質(zhì)厚度即極板間為電介質(zhì)厚度即極板間距，距， 為電導(dǎo)率。為電導(dǎo)率。IT= iCU+GUUdAdAi0rUdAiUdAdAii*定義定義為復(fù)電導(dǎo)率為復(fù)電導(dǎo)率EJ*則電流密度則電流密度rr*r- i也具有歐姆定律的形式。也具有歐姆

46、定律的形式。 *= -i類(lèi)似于復(fù)電導(dǎo)率，定義復(fù)介電常數(shù)和復(fù)相對(duì)介電類(lèi)似于復(fù)電導(dǎo)率，定義復(fù)介電常數(shù)和復(fù)相對(duì)介電常數(shù)分別為：常數(shù)分別為：都是都是 的函數(shù)。此時(shí)有：的函數(shù)。此時(shí)有：UCCUQCC0*r0*rUiCiUiCdtdUCdtdQIrrr00)(* 所以總電流所以總電流UCUCiIrr00T 即總電流分兩項(xiàng)：第一項(xiàng)即總電流分兩項(xiàng)：第一項(xiàng)Ic為電容的充電放電過(guò)為電容的充電放電過(guò)程，無(wú)能量損耗，由復(fù)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部程，無(wú)能量損耗，由復(fù)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部 r 描描述；第二項(xiàng)述；第二項(xiàng)II與電壓同位相，為能量損耗部分，與電壓同位相，為能量損耗部分，由復(fù)相對(duì)介電常數(shù)的虛部由復(fù)相對(duì)介電常數(shù)的虛部 r

47、描述，稱為介質(zhì)相描述，稱為介質(zhì)相對(duì)損耗因子對(duì)損耗因子所以所以II/Ic可代表介電材料在交變電場(chǎng)下的能量損可代表介電材料在交變電場(chǎng)下的能量損耗的大小，耗的大小， 角的大小可反映這一比值，所以將角的大小可反映這一比值，所以將 角稱為損耗角。角稱為損耗角。rrtan 可表示為獲得給定存儲(chǔ)電荷要消耗的能量的大小可表示為獲得給定存儲(chǔ)電荷要消耗的能量的大小對(duì)絕緣材料，為降低能量損耗，防止發(fā)熱引起對(duì)絕緣材料，為降低能量損耗，防止發(fā)熱引起材料損壞，希望材料的材料損壞，希望材料的tan 小。小。對(duì)介電材料（如高分子材料）高頻加熱、高頻對(duì)介電材料（如高分子材料）高頻加熱、高頻干燥等則希望干燥等則希望tan 大大

48、。頻率頻率2 2 介電損耗的影響因素介電損耗的影響因素頻 率 很 低 ， 即頻 率 很 低 ， 即 0時(shí)，所有極時(shí)，所有極化機(jī)制都能跟上化機(jī)制都能跟上電場(chǎng)的變化，介電場(chǎng)的變化，介電損耗為電損耗為0頻率極高，頻率極高，即即 時(shí)所有極時(shí)所有極化機(jī)制都化機(jī)制都跟不上電跟不上電場(chǎng)的變化，場(chǎng)的變化，介電損耗介電損耗為為0在不同的頻率，在不同的頻率，不同弛豫時(shí)間的不同弛豫時(shí)間的極化機(jī)制起作用，極化機(jī)制起作用，使使tan 變化，在變化，在某頻率達(dá)到極值某頻率達(dá)到極值 exp(E0/kT)E0為分子活化能，為分子活化能，k為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù)tan 隨溫度有隨溫度有升降升的升降升的關(guān)系關(guān)系溫度溫度引起

49、材料擊穿的電壓梯度稱為介電強(qiáng)度或介電擊引起材料擊穿的電壓梯度稱為介電強(qiáng)度或介電擊穿強(qiáng)度。穿強(qiáng)度。擊穿的原因很復(fù)雜，材料厚度、環(huán)境溫度和氣氛、擊穿的原因很復(fù)雜，材料厚度、環(huán)境溫度和氣氛、材料形狀、結(jié)構(gòu)、成分、表面狀態(tài)、電場(chǎng)頻率和材料形狀、結(jié)構(gòu)、成分、表面狀態(tài)、電場(chǎng)頻率和波形等都影響擊穿強(qiáng)度。波形等都影響擊穿強(qiáng)度。設(shè)想材料是宏觀均勻的，其各部分所能承受的電設(shè)想材料是宏觀均勻的，其各部分所能承受的電壓梯度是相同的，在臨界電場(chǎng)強(qiáng)度下其擊穿與樣壓梯度是相同的，在臨界電場(chǎng)強(qiáng)度下其擊穿與樣品的幾何形狀以及電場(chǎng)的波形無(wú)關(guān)，只與材料的品的幾何形狀以及電場(chǎng)的波形無(wú)關(guān)，只與材料的內(nèi)在特征有關(guān)，此時(shí)發(fā)生的擊穿就是本征

50、擊穿。內(nèi)在特征有關(guān)，此時(shí)發(fā)生的擊穿就是本征擊穿。1 1 本征擊穿本征擊穿當(dāng)兩方面在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下達(dá)到平衡時(shí)，電介當(dāng)兩方面在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下達(dá)到平衡時(shí)，電介質(zhì)有一定的電導(dǎo)。質(zhì)有一定的電導(dǎo)。碰撞電離理論碰撞電離理論強(qiáng)電場(chǎng)下由于冷發(fā)射或熱發(fā)射固體導(dǎo)帶中存在一強(qiáng)電場(chǎng)下由于冷發(fā)射或熱發(fā)射固體導(dǎo)帶中存在一些電子，被外電場(chǎng)加速，同時(shí)與晶格振動(dòng)相互作些電子，被外電場(chǎng)加速，同時(shí)與晶格振動(dòng)相互作用加劇晶格振動(dòng)把能量傳給晶格。用加劇晶格振動(dòng)把能量傳給晶格。若電子從電場(chǎng)獲得的能量大于損失給晶格振動(dòng)的若電子從電場(chǎng)獲得的能量大于損失給晶格振動(dòng)的能量，其動(dòng)能越來(lái)越大，直至增強(qiáng)到使晶格電離能量，其動(dòng)能越來(lái)越大，直至增強(qiáng)到使

51、晶格電離出新電子，自由電子數(shù)迅速增加，發(fā)生擊穿。出新電子，自由電子數(shù)迅速增加，發(fā)生擊穿。 A(E, E0)=B(T, E0)其中其中A(E, E0)為電子從電場(chǎng)中獲得能量的速率；為電子從電場(chǎng)中獲得能量的速率； B(T, E0)為電子損失給晶格的能量的速率；為電子損失給晶格的能量的速率；E為電為電場(chǎng)強(qiáng)度；場(chǎng)強(qiáng)度；E0為電子的能量。為電子的能量。在外電場(chǎng)在外電場(chǎng)E下，電介質(zhì)電導(dǎo)率下，電介質(zhì)電導(dǎo)率 引起單位時(shí)間單引起單位時(shí)間單位體積中產(chǎn)生位體積中產(chǎn)生 E2的焦耳熱。如果這些熱量不能的焦耳熱。如果這些熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，就會(huì)使材料的溫度升高，達(dá)到某一臨及時(shí)導(dǎo)出，就會(huì)使材料的溫度升高，達(dá)到某一臨界值界值Tc，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值Ec時(shí)，自由電子時(shí)，自由電子足夠多，就發(fā)生了擊穿。足夠多，就發(fā)生了擊穿。熱擊穿理論熱擊穿理論雪崩式擊穿理論雪崩式擊穿理論擊穿的最初機(jī)制是場(chǎng)發(fā)射或離子碰撞。場(chǎng)擊穿的最初