電概導(dǎo)電材料學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1電概導(dǎo)電電概導(dǎo)電(dodin)材料材料第一頁，共55頁。典型典型(dinxng)材料的電導(dǎo)率材料的電導(dǎo)率導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型材料類型材料類型導(dǎo)電率導(dǎo)電率/ -1m-1離子導(dǎo)電離子導(dǎo)電離子晶體離子晶體10-1610-2快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體10-1103強(qiáng)（液）電解質(zhì)強(qiáng)（液）電解質(zhì)10-1103電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電金屬金屬103107半導(dǎo)體半導(dǎo)體10-3104絕緣體絕緣體10-104.1 4.1 導(dǎo)電材料基本導(dǎo)電材料基本(jbn)(jbn)性質(zhì)性質(zhì)第1頁/共55頁第二頁，共55頁。 導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理(j l)可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料 兩大類。 電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。 導(dǎo)體

2、的電導(dǎo)率105 S/m ，超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無限大（在溫度小于臨界溫度時(shí)），半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為10-7104 S/m ；當(dāng)材料的電導(dǎo)率小于10-7S/m時(shí)，就認(rèn)為該材料基本上不能導(dǎo)電，而稱為絕緣體。 第2頁/共55頁第三頁，共55頁。第3頁/共55頁第四頁，共55頁。導(dǎo)電導(dǎo)電(dodin)氟橡膠氟橡膠導(dǎo)電導(dǎo)電(dodin)氟膠座氟膠座導(dǎo)電導(dǎo)電(dodin)尼尼龍龍導(dǎo)電導(dǎo)電ABS導(dǎo)電膠帶導(dǎo)電膠帶第4頁/共55頁第五頁，共55頁。2021-12-266經(jīng)典經(jīng)典電子電子(dinz)理理論論第5頁/共55頁第六頁，共55頁。合金電阻率高溫度降低：晶格振動(zhndng)減弱，對電子波的阻礙減小 T0時(shí)，出

3、現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象 T=0時(shí)，合金和有缺陷的金屬仍有電阻2021-12-267量子力學(xué)量子力學(xué)(lin z l xu)觀點(diǎn)觀點(diǎn)0( )T第6頁/共55頁第七頁，共55頁。2021-12-268001()tt第7頁/共55頁第八頁，共55頁。導(dǎo)體導(dǎo)體(dot)電阻率公式電阻率公式iT 電阻率公式(gngsh)可寫為： i 取 決 于 晶 格 缺 陷 的 多 少(dusho)，缺陷越多， i越大，一般與溫度無關(guān)；T取決于晶格的熱振動。電阻率隨著溫度升高而升高，這是導(dǎo)體的一個(gè)特征。第8頁/共55頁第九頁，共55頁。102021-12-26第9頁/共55頁第十頁，共55頁。2021-12-2611第10頁/共

4、55頁第十一頁，共55頁。2021-12-2612第11頁/共55頁第十二頁，共55頁。2021-12-2613第12頁/共55頁第十三頁，共55頁。142021-12-26第13頁/共55頁第十四頁，共55頁。2021-12-2615第14頁/共55頁第十五頁，共55頁。162021-12-26第15頁/共55頁第十六頁，共55頁。有助于設(shè)計(jì)有助于設(shè)計(jì)(shj)導(dǎo)體的主要物理性能如下表所示導(dǎo)體的主要物理性能如下表所示 物理性能銅密度8,9電阻率（mWcm）1,7241導(dǎo)電率（%IACS）100電阻溫度系數(shù)（K-1）0,0039導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）400線性膨脹系數(shù)（K-1）17x10-6拉

5、應(yīng)力（退火）（MPa）220 / 290拉應(yīng)力（硬）（MPa）350/450彈性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）110第16頁/共55頁第十七頁，共55頁。2021-12-2618第17頁/共55頁第十八頁，共55頁。2021-12-2619第18頁/共55頁第十九頁，共55頁。202021-12-26第19頁/共55頁第二十頁，共55頁。212021-12-26第20頁/共55頁第二十一頁，共55頁。2021-12-2622第21頁/共55頁第二十二頁，共55頁。232021-12-26第22頁/共55頁第二十三頁，共55頁。2021-12-2624第23頁/共55頁第二

6、十四頁，共55頁。對于設(shè)計(jì)對于設(shè)計(jì)(shj)導(dǎo)體有用的物理性能如下表所示導(dǎo)體有用的物理性能如下表所示 物理性能物理性能鋁鋁 密度密度2,7 電阻率電阻率 (mmcm)2,826 導(dǎo)電率導(dǎo)電率 (%IACS)61 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) (K-1)0,004 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) (W/m.K)220 線性膨脹系數(shù)線性膨脹系數(shù) (K-1)23x10-6 拉應(yīng)力（退火）拉應(yīng)力（退火） (MPa)60/80 拉應(yīng)力（硬）拉應(yīng)力（硬） (MPa)150/200 彈性模量彈性模量(MPa)66000 硬度（退火）硬度（退火）20 硬度（硬）硬度（硬）40第24頁/共55頁第二十五頁，共55頁。2021-1

7、2-2626第25頁/共55頁第二十六頁，共55頁。2021-12-2627第26頁/共55頁第二十七頁，共55頁。282021-12-26第27頁/共55頁第二十八頁，共55頁。2021-12-26294ABfRnF第28頁/共55頁第二十九頁，共55頁。302021-12-26第29頁/共55頁第三十頁，共55頁。常用觸頭材料常用觸頭材料(cilio)分類表分類表類別類別材料品種材料品種強(qiáng)電用強(qiáng)電用 復(fù)合觸頭材料復(fù)合觸頭材料銀銀-氧化鎘，銀氧化鎘，銀-鎢，銅鎢，銅-鎢，銀鎢，銀-鐵，鐵，銀銀-鎳，銅鎳，銅-石墨，銀石墨，銀-碳化鎢碳化鎢真空開關(guān)觸頭材料真空開關(guān)觸頭材料銅鉍鈰，銅鉍銀，銅碲硒

8、，鎢銅鉍鈰，銅鉍銀，銅碲硒，鎢-銅鉍銅鉍鋯，銅鐵鎳鈷鉍鋯，銅鐵鎳鈷鉍弱電用弱電用 鉑族合金鉑族合金鉑銥，鈀銀，鈀銅，鈀銥鉑銥，鈀銀，鈀銅，鈀銥金基合金金基合金金鎳，金銀，金鋯金鎳，金銀，金鋯銀及其合金銀及其合金銀，銀銅銀，銀銅鎢及其合金鎢及其合金鎢，鎢鉬鎢，鎢鉬第30頁/共55頁第三十一頁，共55頁。2021-12-2632第31頁/共55頁第三十二頁，共55頁。試驗(yàn)溫度Tc7.23K可以推算出線圈(xinqun)此時(shí)的電阻率10-21m與銅的電阻率10-7m相比，超導(dǎo)態(tài)下的電阻率實(shí)際上等于零。2021-12-2633第32頁/共55頁第三十三頁，共55頁。2021-12-2634 某些物質(zhì)在

9、一定溫度條件下電阻降為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。某些物質(zhì)在一定溫度條件下電阻降為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。 低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。 從電阻不為零的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度從電阻不為零的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度TcTc。 超導(dǎo)體的電阻率小于目前所能檢測的最小電阻率超導(dǎo)體的電阻率小于目前所能檢測的最小電阻率10-26cm10-26cm，可以可以(ky)(ky)認(rèn)為電阻為零。認(rèn)為電阻為零。 特性一：完全導(dǎo)電性，超導(dǎo)體進(jìn)入特性一：完全導(dǎo)電性，超導(dǎo)體進(jìn)入(jnr)超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其電阻率超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其電阻率實(shí)際上等于零。例如：

10、室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫實(shí)際上等于零。例如：室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫進(jìn)入進(jìn)入(jnr)超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的“持久電流持久電流”。 特性二特性二：完全抗磁性，不論開始時(shí)有無外磁場，只有：完全抗磁性，不論開始時(shí)有無外磁場，只有T TTcTc，超導(dǎo)體，超導(dǎo)體變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，即超導(dǎo)體能把磁力線全部排斥變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，即超導(dǎo)體能把磁力線全部排斥到體外，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。到體外，這種

11、現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。第33頁/共55頁第三十四頁，共55頁。特性三：即使在低于臨界溫度以下，若進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度以及特性三：即使在低于臨界溫度以下，若進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度以及周圍磁場周圍磁場(cchng)的強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，而成的強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，而成為普通的常導(dǎo)狀態(tài)，電流和磁場為普通的常導(dǎo)狀態(tài)，電流和磁場(cchng)的這種臨界值分別稱為臨界的這種臨界值分別稱為臨界電流電流Ic和臨界磁場和臨界磁場(cchng)Hc臨界。臨界。 臨界(ln ji)溫度（Tc）、臨界(ln ji)磁場（Hc）、臨界(ln ji)電流Ic是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界(ln

12、 ji)條件。當(dāng)溫度超過臨界(ln ji)溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過臨界(ln ji)電流或者臨界(ln ji)磁場時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個(gè)條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界(ln ji)值時(shí)，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。第34頁/共55頁第三十五頁，共55頁。2021-12-2636第35頁/共55頁第三十六頁，共55頁。37 不論超導(dǎo)體在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)前內(nèi)部是否有磁場，一旦進(jìn)入(jnr)超導(dǎo)態(tài)后，即使有外磁場，超導(dǎo)態(tài)內(nèi)部都不存在磁場，即磁感應(yīng)強(qiáng)度2021-12-260B第36頁/共55頁第三十七頁，共55頁。2021-12-2638超導(dǎo)體的電流分布超導(dǎo)體的電流分布 集膚

13、性集膚性 不加外磁場不加外磁場(cchng)(cchng)時(shí)，流時(shí)，流過過超導(dǎo)扁帶內(nèi)的電流密度超導(dǎo)扁帶內(nèi)的電流密度JsJs符合公式：符合公式：第37頁/共55頁第三十八頁，共55頁。2021-12-2639第38頁/共55頁第三十九頁，共55頁。402021-12-26第39頁/共55頁第四十頁，共55頁。2021-12-2641第40頁/共55頁第四十一頁，共55頁。2021-12-2642第41頁/共55頁第四十二頁，共55頁。432021-12-26庫柏電子對形成庫柏電子對形成(xngchng)示意圖示意圖 第42頁/共55頁第四十三頁，共55頁。金屬金屬(jnsh)超導(dǎo)體超導(dǎo)體 目前(

14、mqin)發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性的金屬元素有30種，其中過渡族元素19種，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非過渡族元素有11種如Pb、Sn、 Al、 Ga等。超導(dǎo)超導(dǎo)(cho do)材料的分類材料的分類第43頁/共55頁第四十四頁，共55頁。超導(dǎo)金屬超導(dǎo)金屬臨界溫度臨界溫度Lead (Pb)Lead (Pb)7.196 K7.196 KLanthanum (La)Lanthanum (La)4.88 K4.88 KMercury (Hg)Mercury (Hg)4.15 K4.15 KTin (Sn)Tin (Sn)3.72 K3.72 KAluminum (Al)Aluminum (Al)1.

15、175 K1.175 KMolybdenum (Mo)Molybdenum (Mo)0.915 K0.915 KZinc (Zn)Zinc (Zn)0.85 K0.85 KZirconium (Zr)Zirconium (Zr)0.61 K0.61 KCadmium (Cd)Cadmium (Cd)0.517 K0.517 KTitanium (Ti)Titanium (Ti)0.40 K0.40 KTungsten (W)Tungsten (W)0.0154 K0.0154 KPlatinum (Pt)*Platinum (Pt)*0.0019 K0.0019 KRhodium (Rh)Rh

16、odium (Rh)0.000325 K0.000325 K 超導(dǎo)金屬中，鉛（超導(dǎo)金屬中，鉛（PbPb）的臨界溫度）的臨界溫度(ln ji wn d)(ln ji wn d)最高最高，達(dá)，達(dá)7.196K7.196K，（，（RhRh）的臨界溫度）的臨界溫度(ln ji wn d)(ln ji wn d)最低，為最低，為0.000325K0.000325K。 超導(dǎo)合金很多，臨界溫度超導(dǎo)合金很多，臨界溫度(ln ji wn d)(ln ji wn d)有所有所提高，如提高，如NbTiNbTi二元合金，其臨界溫度二元合金，其臨界溫度(ln ji wn (ln ji wn d)d)為為8 810K10K

17、；NbTiZrNbTiZr三元合金，其臨界溫度三元合金，其臨界溫度(ln (ln ji wn d)ji wn d)為為10K10K。第44頁/共55頁第四十五頁，共55頁。氧化物超導(dǎo)體氧化物超導(dǎo)體氧化物超導(dǎo)氧化物超導(dǎo)(cho do)材料材料第45頁/共55頁第四十六頁，共55頁。超導(dǎo)氧化物超導(dǎo)氧化物成成 分分臨界溫度臨界溫度HgHg0.80.8TlTl0.20.2BaBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O8.338.33138 K (record-holder)HgBaHgBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O8 8133-135 K133-135 KHgBaCuHgBaCu系系H

18、gBaHgBa2 2CuOCuO4 4+ + 94-98 K94-98 KTlTl2 2BaBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O1010127-128 K127-128 KTlTl0.50.5PbPb0.50.5SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O O9 9118-120 K118-120 KTlBaCaCuTlBaCaCu系系TlTl2 2BaBa2 2CuOCuO6 695 K95 KBiBi1.61.6PbPb0.60.6SrSr2 2CaCa2 2SbSb0.10.1CuCu3 3O Oy y115 K115 K BiBi2 2SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3

19、O O1010*110 K110 KBiSrCaCuBiSrCaCu系系BiBi2 2SrSr2 2CaCa0.80.8Y Y0.20.2CuCu2 2O O8 895-96K95-96KTmBaTmBa2 2CuCu3 3O O7 790-101 K90-101 KYBaYBa2 2CuCu3 3O O7 793 K93 KY YB BaCuaCu系系YbBaYbBa1.61.6SrSr0.40.4CuCu4 4O O8 878 K78 KLaLa2 2BaBa2 2CaCuCaCu5 5O O9+9+79 K79 K(La,Sr,Ca)(La,Sr,Ca)3 3CuCu2 2O O6 65

20、8 K58 KLaLa2 2CaCuCaCu2 2O O6+6+45 K45 K(La(La1.851.85SrSr0.150.15)CuO)CuO4 440 K40 K(La,Ba)(La,Ba)2 2CuOCuO4 435-38 K35-38 KLaBaCuLaBaCu系系(La(La1.851.85BaBa.15.15)CuO)CuO4 430 K(30 K(FirstFirst高溫超導(dǎo)陶瓷，高溫超導(dǎo)陶瓷，1986)1986) 1986 1986年，年，BednorzBednorz和和MullerMuller發(fā)現(xiàn)了具有較寬轉(zhuǎn)變溫度范圍的超導(dǎo)體，屬發(fā)現(xiàn)了具有較寬轉(zhuǎn)變溫度范圍的超導(dǎo)體，屬于于

21、LaBaCuLaBaCu系，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的開始系，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的開始(kish)(kish)溫度為溫度為30K30K，因?yàn)樵擁?xiàng)工作而獲得，因?yàn)樵擁?xiàng)工作而獲得了諾貝爾獎。了諾貝爾獎。第46頁/共55頁第四十七頁，共55頁。 1987 1987年年2 2月我國科學(xué)家趙忠賢等人獲得臨界溫度在月我國科學(xué)家趙忠賢等人獲得臨界溫度在93K93K的的YBaCuYBaCu系超導(dǎo)體系超導(dǎo)體，化學(xué)計(jì)量式為，化學(xué)計(jì)量式為YBa2Cu3O7YBa2Cu3O7，即所謂的，即所謂的123123材料，通常材料都有氧空位材料，通常材料都有氧空位(kn (kn wi)wi)，因此寫成，因此寫成YBa2Cu3O7-xYBa2Cu3O7-x。 從結(jié)構(gòu)上看，具有從結(jié)構(gòu)上看，具有(jyu)(jyu)以以下特征：下特征： （1