材料的電學性能

材料的電學性能第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能一電阻與導電的基本概念1導電當在材料的兩端施加電壓時，材料中有電流流過

歐姆定律2電阻與材料的性質有關，還與材料的長度及截面積有關3電阻率只與材料本性有關，而與導體的幾何尺寸無關評定導電性的基本參數(shù)第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4電導率愈大，材料導電性能就越好5材料分類導體、絕緣體和半導體導電能力相差很大，決定于結構與導電本質第一節(jié)導電性能二導電機理1金屬及半導體的導電機理(1)經典電子理論

離子構成了晶格點陣價電子是完全自由的（自由電子）第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能(2)量子自由電子理論

原子的內層電子保持著單個原子時的能量狀態(tài)價電子按量子化具有不同的能級

遵循經典力學氣體分子的運動規(guī)律自由電子定向運動中，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，是產生電阻的原因電導率金屬的導電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運動速度

第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

電子具有波粒二象性．運動為著的電子作為物質波一價金屬中自由電子的動能EK為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的能量狀態(tài)參數(shù)從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量)之間的關系從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關系電子的波數(shù)越大，則能量越高沒有加外加電場時自由電子沿正、反方向運動著電子數(shù)量相同，沒有電流產生第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

在外加電場的作用下，從而使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導電只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導電缺陷和雜質產生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射，形成電阻

超導現(xiàn)象一價金屬比二、三價金屬導電性較好

第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

(3)能帶理論能帶金屬中的價電子是公有化和能量是量子化金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的價電子在金屬中的運動要受到周期場的作用能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的禁帶允帶第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

能帶結構空能級空能級電子是自由的，參與導電導帶周期勢場的變化幅度越大，禁帶越寬導體、絕緣體、半導體能帶結構特點第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能導體允帶內的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉到另一個能級上去而產生電流．絕緣體一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即不能產生電流。半導體半導體的能帶結構與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄半導體的能帶在外界作用下，價帶中的電子就有能量可能躍遷到導帶中去第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

空穴導電本征導電本征半導體

本征半導體的電子—空穴對是由熱激活產生的雜質對半導體的導電性能影響本征半導體和雜質半導體的電導率與溫度的關系為

2無機非金屬導電機理

載流子

(1)離子晶體的導電機理離子晶體中空位的遷移涉及離子運動

第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

晶體的離子電導可以分為兩類

第一類離子固有電導或本征電導熱缺陷第二類雜質電導雜質的數(shù)量和種類

低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定存在的多種載流子時，材料的總電導率是各種電導率的總和第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能（2）玻璃的導電機理離子在結構中的可動性所導致玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大

超導電性1超導電性的概念超導體是等電位的，超導體內沒有電場2超導體的兩個基本特征一個基本特性是它的完全導電性永久電流凍結磁通另一基本特性是它的完全抗磁性邁斯納效應屏蔽磁場和排除磁通

第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能3超導體的3個重要性能指標（1）臨界轉變溫度Tc

正常狀態(tài)轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度

臨界轉變溫度越高越好，越有利于應用（2）臨界磁場Hc

能破壞超導態(tài)的最小磁場

Hc值隨溫度降低而增加

中間態(tài)

第一類超導體，第二類超導體

(3)臨界電流密度Jc

材料保持超導態(tài)狀態(tài)的最大輸入電流密度

第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能4超導理論模型庫柏電子對(BCS)

電子—聲子相互作用所產生電子對雜質原子和缺陷對電子對不能進行有效的散射在金屬和金屬間化合物中的超導體的Tc不超過30K5最新超導研究成果

1960年代研究在氧化物超導體

1986年，J．G．Bednore和K．A．Muller發(fā)現(xiàn)了Tc為35K的Ba—La—Cu系氧化物超導體，獲得諾貝爾獎

1987年2月我國科學家趙忠賢等人得到了Tc在液氮以上溫度的Y—Ba—Cu—O系超導體，即所謂的123材料．目前已發(fā)現(xiàn)了超導溫度達133K以上的超導氧化物

2004年4月9日在昆明市應用我國自行研制的高溫超導電力電纜35KV/20KA第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能四影響材料導電性的因素材料導電機理不同

，影響因素及其影響程度也不相同1溫度的影響金屬電阻率隨溫度升高而增大（1）電子運動自由程減小，散射幾率增加導致電阻率增大（2）在德拜溫度以上，電子是完全自由的完整的晶體中電子的散射取決于溫度造成的點陣畸變，金屬的電阻取決于離子的熱振動（3）純金屬的電阻率與溫度關系

第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能（4）當溫度較低(低于德拜溫度)時應考慮振動原子與導電電子之間的相互作用電阻率與溫度的關系低溫時，積分值趨于常數(shù)，電阻率

ρ∝T

當溫度接近于OK時(T＜2K），電子的散射主要是電子與電子間的相互作用殘留電阻率（5）大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約1—2倍原子長程排列被破壞

5第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2冷塑性變形和應力的影響冷塑性變形使金屬的電阻率增大（1）晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，空位濃度的增加（2）原子間距改變（3）再結晶退火可使電阻率恢復到冷變形前的水平（4）應力的影響

3合金化對導電性的影響（1）固溶體導電性電阻率增高原因：溶劑點陣的畸變有效電子數(shù)減少

馬基申定律

一是溶劑的電阻，二是溶質引起的附加電阻第一節(jié)導電性能第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能(2)金屬化合物的導電性金屬化合物的導電能力都比較差原因：導電電子數(shù)減少

(3)多相合金的電阻率組成相的導電性及相對量合金的組織形態(tài)五導電性的測量及應用

1電阻測量方法(1)雙電橋法雙電橋法是測量小電阻的常用方法有較高的精度第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)導電性能

(2)電位差計法測量小電阻有很高的精度(3)安培一伏特計法毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小(4)直流四端電極法中、高電導率的材料

2電阻分析的應用測量電阻率的變化來研究金屬與合金的組織結構變化(1)測量固溶體的溶解度曲線(2)測定形狀記憶合金中的相變溫度形狀記億合金是一種新型功能材料第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)熱電性能

一熱電效應1帕爾帖效應接觸電勢帕爾帖熱與金屬的本性和溫度有關焦耳熱與電流方向無關帕爾帖熱與電流方向有關

2湯姆遜效應湯姆遜熱第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)熱電性能賽貝克效應（1）接觸電勢差電子逸出功不同電子濃度不同（2）熱電勢有效電子密度兩接觸端的溫差第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)熱電性能二影響熱電勢的因素

1金屬本性的影響中間金屬定律熱電偶2溫度的影響與兩接點處的溫差成正比熱電勢E與溫度經驗公式3合金化的影響形成連續(xù)固溶體時，熱電勢與濃度關系呈懸鏈式變化4含碳量對鋼熱電勢的影響含碳量和其組織狀態(tài)第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)半導體導電性的敏感效應

半導體的禁帶寬度在1eV左右

一熱敏效應電子和空穴導電B表示材料的電導活化能應用熱敏溫度計、電路溫度補償器

二光敏效應電阻明顯下降光電導產生光電導的條件光敏電阻器第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)半導體導電性的敏感效應三壓敏效應1電壓敏感效應壓敏電阻器壓敏電阻器的靈敏性2壓力敏感效應電阻率發(fā)生改變壓阻效應和應力的關系四磁敏效應1霍爾效應2磁阻效應第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能

一極化的基本概念

1介質極化的基本概念（1）電介質（2）介質極化

2電介質分類（1）非極性介質無外電場作用時．正負電荷中心重合電偶極矩外電場越強，粒子的電偶極矩越大第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能（2）極性介質分子存在固有電偶極矩電偶極矩轉向外電場方向外電場越強，電極化的程度越高3極化率表征材料的極化能力只與材料的性質有關4極化強度線性極化表征介質在電場作用下極化程度第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能極化的基本形式位移式極化、松弛極化

1位移極化

（1）電子位移極化電子云相對于原子核發(fā)生位移電子極化率依賴于頻率、與溫度無關（2）離子位移極化感生的電偶極矩交變電場作用下離子位移極化率與離子結構有關、與溫度無關極化建立的時間第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能2松弛極化與粒子的熱運動有關是不可逆過程（1）電子松弛極化由弱束縛電子引起的電子能態(tài)發(fā)生變化伴隨有能量的損耗電子松弛極化建立的時間（1）離子松弛極化弱聯(lián)系離子產生的僅作有限距離的遷移第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能3轉向極化主要發(fā)生在極性介質中建立時間較長比電子極化率高得多

三介電常數(shù)

1介電常數(shù)的概念

2恒定電場介電常數(shù)（1）電位移方向從自由正電荷指向自由負電荷第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能（2）介電常數(shù)相對介電常數(shù)極化宏觀參數(shù)極化微觀參數(shù)第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能3交變電場介電常數(shù)矢量D和P滯后于矢量E第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

介質極化與介電性能影響介電常數(shù)的因素1極化類型的影響2溫度的影響（1）介電常數(shù)與溫度成非線性關系（2）介電常數(shù)與溫度成線性關系介電常數(shù)很大的材料其TKε為負值介電常數(shù)較小的材料其TKε為正值3頻率的影響第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)電介質的介質損耗

一電介質損耗的基本概念

1介質損耗的基本概念

電介質的作用介質損耗越小越好

2漏導損耗

3極化損耗介質的損耗形式

1電導(或漏導)損耗弱聯(lián)系帶電粒子(或空位)引起

2極化損耗松弛極化所造成的介質損耗比較大造成損耗原因：電矩滯后于外加電場引起第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)電介質的介質損耗（1）低頻率不產生極化損耗（2）高頻率產生極化損耗3電離損耗由氣體電離所引起氣孔中承受的電場強度比固態(tài)絕緣物中所承受平均值要大應盡量減少介質中的氣孔4結構損耗與溫度關系不大，隨頻率升高而增大5宏觀結構不均勻的介質損耗工程介質材料大多數(shù)是不均勻介質第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)電介質的介質損耗三影響材料介質損耗因素1對漏導（電導）損耗的影響介質損耗溫度的升高，介質的電導率增大與頻率無關2對極化損耗的影響快極化無損耗緩慢極化產生損耗（1）頻率影響頻率很低時介質損耗為零損耗隨著頻率的增大而增大頻率很高時僅由起始電導率決定損耗

第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)電介質的介質損耗

（2）溫度影響溫度對損耗的影響是由溫度對θ和g的影響來決定