第十章 材料的電學(xué)性能

第十章材料的電學(xué)性能

第一節(jié)導(dǎo)電性能第二節(jié)熱電性能第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)第四節(jié)介質(zhì)極化與介電性能第五節(jié)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗第六節(jié)絕緣材料的抗電強(qiáng)度

第一節(jié)導(dǎo)電性能一電阻與導(dǎo)電的基本概念1導(dǎo)電當(dāng)在材料的兩端施加電壓時(shí)，材料中有電流流過

歐姆定律2電阻與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與材料的長度及截面積有關(guān)3電阻率只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)評定導(dǎo)電性的基本參數(shù)4電導(dǎo)率愈大，材料導(dǎo)電性能就越好5材料分類導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)電能力相差很大，決定于結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)第一節(jié)導(dǎo)電性能二導(dǎo)電機(jī)理1金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理(1)經(jīng)典電子理論

離子構(gòu)成了晶格點(diǎn)陣價(jià)電子是完全自由的（自由電子）第一節(jié)導(dǎo)電性能(2)量子自由電子理論

原子的內(nèi)層電子保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)價(jià)電子按量子化具有不同的能級遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子的運(yùn)動規(guī)律自由電子定向運(yùn)動中，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，是產(chǎn)生電阻的原因電導(dǎo)率金屬的導(dǎo)電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運(yùn)動速度

第一節(jié)導(dǎo)電性能

電子具有波粒二象性．運(yùn)動為著的電子作為物質(zhì)波一價(jià)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(diǎn)看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量)之間的關(guān)系從波動的觀點(diǎn)看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系電子的波數(shù)越大，則能量越高沒有加外加電場時(shí)自由電子沿正、反方向運(yùn)動著電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生第一節(jié)導(dǎo)電性能

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

超導(dǎo)現(xiàn)象一價(jià)金屬比二、三價(jià)金屬導(dǎo)電性較好

第一節(jié)導(dǎo)電性能

(3)能帶理論能帶金屬中的價(jià)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(jià)電子在金屬中的運(yùn)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一節(jié)導(dǎo)電性能

能帶結(jié)構(gòu)空能級空能級電子是自由的，參與導(dǎo)電導(dǎo)帶周期勢場的變化幅度越大，禁帶越寬導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第一節(jié)導(dǎo)電性能導(dǎo)體允帶內(nèi)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(gè)能級轉(zhuǎn)到另一個(gè)能級上去而產(chǎn)生電流．絕緣體一個(gè)滿帶上面相鄰的是一個(gè)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(chǎn)生電流。半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄半導(dǎo)體的能帶在外界作用下，價(jià)帶中的電子就有能量可能躍遷到導(dǎo)帶中去第一節(jié)導(dǎo)電性能空穴導(dǎo)電本征導(dǎo)電本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體的電子—空穴對是由熱激活產(chǎn)生的雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為

2無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理

載流子

(1)離子晶體的導(dǎo)電機(jī)理離子晶體中空位的遷移涉及離子運(yùn)動

第一節(jié)導(dǎo)電性能

晶體的離子電導(dǎo)可以分為兩類

第一類離子固有電導(dǎo)或本征電導(dǎo)熱缺陷第二類雜質(zhì)電導(dǎo)雜質(zhì)的數(shù)量和種類

低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定存在的多種載流子時(shí)，材料的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的總和第一節(jié)導(dǎo)電性能（2）玻璃的導(dǎo)電機(jī)理離子在結(jié)構(gòu)中的可動性所導(dǎo)致玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大

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

第一節(jié)導(dǎo)電性能3超導(dǎo)體的3個(gè)重要性能指標(biāo)（1）臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度

臨界轉(zhuǎn)變溫度越高越好，越有利于應(yīng)用（2）臨界磁場Hc

能破壞超導(dǎo)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(dǎo)體，第二類超導(dǎo)體(3)臨界電流密度Jc材料保持超導(dǎo)態(tài)狀態(tài)的最大輸入電流密度

第一節(jié)導(dǎo)電性能4超導(dǎo)理論模型庫柏電子對(BCS)電子—聲子相互作用所產(chǎn)生電子對雜質(zhì)原子和缺陷對電子對不能進(jìn)行有效的散射在金屬和金屬間化合物中的超導(dǎo)體的Tc不超過30K5最新超導(dǎo)研究成果1960年代研究在氧化物超導(dǎo)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(dǎo)體，獲得諾貝爾獎(jiǎng)1987年2月我國科學(xué)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(dǎo)體，即所謂的123材料．目前已發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)溫度達(dá)133K以上的超導(dǎo)氧化物2004年4月9日在昆明市應(yīng)用我國自行研制的高溫超導(dǎo)電力電纜35KV/20KA第一節(jié)導(dǎo)電性能四影響材料導(dǎo)電性的因素材料導(dǎo)電機(jī)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(yùn)動自由程減小，散射幾率增加導(dǎo)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(diǎn)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(guān)系

第一節(jié)導(dǎo)電性能（4）當(dāng)溫度較低(低于德拜溫度)時(shí)應(yīng)考慮振動原子與導(dǎo)電電子之間的相互作用電阻率與溫度的關(guān)系低溫時(shí)，積分值趨于常數(shù)，電阻率ρ∝T當(dāng)溫度接近于OK時(shí)(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(shí)，其電阻率會突然增大約1—2倍原子長程排列被破壞

52冷塑性變形和應(yīng)力的影響冷塑性變形使金屬的電阻率增大（1）晶體點(diǎn)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(jié)晶退火可使電阻率恢復(fù)到冷變形前的水平（4）應(yīng)力的影響3合金化對導(dǎo)電性的影響（1）固溶體導(dǎo)電性電阻率增高原因：溶劑點(diǎn)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(zhì)引起的附加電阻第一節(jié)導(dǎo)電性能第一節(jié)導(dǎo)電性能(2)金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電能力都比較差原因：導(dǎo)電電子數(shù)減少(3)多相合金的電阻率組成相的導(dǎo)電性及相對量合金的組織形態(tài)五導(dǎo)電性的測量及應(yīng)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一節(jié)導(dǎo)電性能

(2)電位差計(jì)法測量小電阻有很高的精度(3)安培一伏特計(jì)法毫伏計(jì)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(dǎo)率的材料2電阻分析的應(yīng)用測量電阻率的變化來研究金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)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二節(jié)熱電性能

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

2湯姆遜效應(yīng)湯姆遜熱第二節(jié)熱電性能賽貝克效應(yīng)（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(diǎn)處的溫差成正比熱電勢E與溫度經(jīng)驗(yàn)公式3合金化的影響形成連續(xù)固溶體時(shí)，熱電勢與濃度關(guān)系呈懸鏈?zhǔn)阶兓?含碳量對鋼熱電勢的影響含碳量和其組織狀態(tài)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)

半導(dǎo)體的禁帶寬度在1eV左右

一熱敏效應(yīng)電子和空穴導(dǎo)電B表示材料的電導(dǎo)活化能應(yīng)用熱敏溫度計(jì)、電路溫度補(bǔ)償器

二光敏效應(yīng)電阻明顯下降光電導(dǎo)產(chǎn)生光電導(dǎo)的條件光敏電阻器第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)三壓敏效應(yīng)1電壓敏感效應(yīng)壓敏電阻器壓敏電阻器的靈敏性2壓力敏感效應(yīng)電阻率發(fā)生改變壓阻效應(yīng)和應(yīng)力的關(guān)系四磁敏效應(yīng)1霍爾效應(yīng)2磁阻效應(yīng)第四節(jié)

介質(zhì)極化與介電性能

一極化的基本概念

1介質(zhì)極化的基本概念（1）電介質(zhì)（2）介質(zhì)極化

2電介質(zhì)分類（1）非極性介質(zhì)無外電場作用時(shí)．正負(fù)電荷中心重合電偶極矩外電場越強(qiáng)，粒子的電偶極矩越大第四節(jié)

介質(zhì)極化與介電性能（2）極性介質(zhì)分子存在固有電偶極矩電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向外電場越強(qiáng)，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(zhì)有關(guān)4極化強(qiáng)度線性極化表征介質(zhì)在電場作用下極化程度第四節(jié)

介質(zhì)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(guān)（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(jié)構(gòu)有關(guān)、與溫度無關(guān)極化建立的時(shí)間第四節(jié)

介質(zhì)極化與介電性能2松弛極化與粒子的熱運(yùn)動有關(guān)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(shí)間（1）離子松弛極化弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的僅作有限距離的遷移第四節(jié)

介質(zhì)極化與介電性能3轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性介質(zhì)中建立時(shí)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