南昌大學(xué)材料性能學(xué)重點(diǎn)材料電學(xué)性能

PAGEPAGE12第二章材料電學(xué)性能內(nèi)容概要：本章介紹金屬的導(dǎo)電機(jī)理,以及影響金屬導(dǎo)電的因素,導(dǎo)電率的測(cè)量方法及其它材料的電學(xué)性質(zhì)。具體內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排如下:第一節(jié)導(dǎo)電性能及本質(zhì)要求學(xué)生掌握導(dǎo)電的三大理論：經(jīng)典電子理論；電子的量子理論;能帶理論。這三大理論的成功或不足點(diǎn)。理解自由電子、能級(jí)和能帶、周期性勢(shì)場(chǎng)、能帶密度、K空間的概念.金屬導(dǎo)電性能影響因素理解溫度、相變、應(yīng)力和熱處理(淬火和退火)對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響。第三節(jié)合金的導(dǎo)電性能理解固溶體和化合物的導(dǎo)電性第四節(jié)電阻率的測(cè)量電阻率的測(cè)量方法有單電橋法;雙電橋法；電子四探針?lè)?。重點(diǎn)要求掌握單電橋法。第五節(jié)電阻分析應(yīng)用根據(jù)電阻率與溫度的線性關(guān)系，可來(lái)研究材料的相變，材料的組織結(jié)構(gòu)變化。第六節(jié)超導(dǎo)電性掌握超導(dǎo)的兩大性能:完全導(dǎo)電性和完全抗磁性.掌握超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的三個(gè)條件：臨界溫度;臨界電流；臨界磁場(chǎng).超導(dǎo)的本質(zhì)—BCS理論.第七節(jié)材料的熱電性能了解三大熱電現(xiàn)象：第一熱導(dǎo)效應(yīng)、第二熱電效應(yīng)、第三熱電效應(yīng)。半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)了解半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn);半導(dǎo)體導(dǎo)電有本征導(dǎo)電和雜質(zhì)導(dǎo)電；實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的條件。介電極化與介電性能掌握電介質(zhì)極化機(jī)理和介電常數(shù)的本質(zhì)第十節(jié)電介質(zhì)的介電損耗了解電介質(zhì)的能量損耗。（共１２個(gè)學(xué)時(shí))導(dǎo)電性能及本質(zhì)材料的電學(xué)性能是指材料的導(dǎo)電性能，與材料的結(jié)構(gòu)、組織、成分等因素有關(guān)。一、電阻與導(dǎo)電的概念Ｒ＝U／IR不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與材料的幾何形狀有關(guān).L與材料的長(zhǎng)度,ｓ與材料的橫截面積，為電阻率，單位為值越小,a值越大.值愈小,值愈大。純金屬：e為1０—８～10-7合金:1０－7～1０—5半導(dǎo)體：10-3~109絕緣體：﹥1０9導(dǎo)電性能最好的金屬是銀、銅、金,其電阻率分別為１.５×10—8ｍ、1.７3×１0—8m、等二、導(dǎo)電機(jī)理及能帶理論關(guān)于材料的導(dǎo)電機(jī)理有三大理論：經(jīng)典電子理論；電子的量子理論;能帶理論。１金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理1>經(jīng)典電子理論經(jīng)典電子理論認(rèn)為（以Ｄruｄｅ和Lorｅnｔｚ為代表）：在金屬晶體中,離子構(gòu)成晶格點(diǎn)陣，并形成一個(gè)均勻的電場(chǎng)，價(jià)電子是完全自由的，稱為自由電子,它們彌散分布于整個(gè)點(diǎn)陣之中,就像氣體分子充滿整個(gè)容器一樣，因此稱為“電子氣”。它們的運(yùn)動(dòng)遵循經(jīng)典氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,自由電子之間以及自由電子與正離子之間僅僅是機(jī)械碰撞而已。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí),金屬中的自由電子沿各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)幾率相同，因此不產(chǎn)生電流。當(dāng)對(duì)金屬施加外電場(chǎng)，自由電子沿電場(chǎng)方向加速運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。在自由電子定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，要與正離子發(fā)生碰撞,使電子受阻,這就是電阻。設(shè)電子兩次碰撞之間所經(jīng)歷的時(shí)間為τｍ＊為電子的有效質(zhì)量(考慮了晶體場(chǎng)對(duì)電子的相互作用）為電子在兩次碰撞之間的時(shí)間間隔,τ為時(shí)間自由程.為電子運(yùn)動(dòng)的平均速度。在T=0K時(shí)，電子不受到散射．p=0?！?。理想晶體。T≠0Ｋ時(shí)，晶體的陣熱振動(dòng)或經(jīng)典電子理論成功計(jì)算了電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系；但經(jīng)典電子理論不能解釋以下幾種現(xiàn)象：電子的長(zhǎng)平均自由程；材料導(dǎo)電性能差異；金屬電子比熱小.2〉量子自由電子理論量子自由電子理論認(rèn)為:金屬中正離子形成的電場(chǎng)是均勻的，價(jià)電子與離子間沒(méi)有相互作用，且為整個(gè)金屬所有,可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)。但這一理論認(rèn)為：金屬中每個(gè)原子的內(nèi)層電子基本保持單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，而所有的價(jià)電子卻按量子規(guī)律具有不同的能量狀態(tài),即具有不同的能級(jí).量子電子理論認(rèn)為：電子具有波粒二象性。運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，其頻率與電子的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)量具有以下關(guān)系：m為電子質(zhì)量;v為電子速度；為波長(zhǎng)；ｐ為電子動(dòng)量；ｈ為普朗克常數(shù);為常數(shù);K為波矢,它是表征金屬中自由電可能具有的能量參數(shù).自由電子能量與波矢關(guān)系為：電子波數(shù)越大，能量也越高.金屬中價(jià)電子具有不同的能量狀態(tài),有的處于低能狀態(tài),有的處于高能狀態(tài)，根據(jù)泡利不相容原理，每個(gè)能態(tài)只能存在正反方向運(yùn)動(dòng)的電子；自由電子從低能態(tài)一直排到高能態(tài)，0Ｋ時(shí)電子所具有的最高能態(tài)稱為費(fèi)米能Ef。在沒(méi)有外電場(chǎng)作用，沿正反方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)目相同，沒(méi)有電子產(chǎn)生，在外加電場(chǎng)作用下，外電場(chǎng)使向著正向運(yùn)動(dòng)的電子能量降低，反向運(yùn)動(dòng)的電子能量升高。部分能量較高的電子轉(zhuǎn)向正向運(yùn)動(dòng)的能級(jí),使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)目不等,使金屬導(dǎo)電。不是所有的自由電子參與導(dǎo)電，只有處于較高能態(tài)上的電子自由電子參與導(dǎo)電。電磁波在傳播過(guò)程中被離子散射，然后相互干涉而形成電阻。對(duì)于一個(gè)理想晶體,０K時(shí),電子波的傳播不受阻礙，形成無(wú)阻傳播，電阻為零,即所謂超導(dǎo)現(xiàn)象;而實(shí)際晶體存在缺陷和雜質(zhì)，對(duì)電子產(chǎn)生散射，這是金屬產(chǎn)生電阻的原因。neｆｆ為單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù),稱為有效電子數(shù)；p為散射幾率.量子理論較好解釋了金屬導(dǎo)電本質(zhì)，但它解釋金屬中離子所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)是均勻的，是其不足。因而不能解釋二價(jià)金屬M(fèi)g的導(dǎo)電性為何比銅差。在一維無(wú)限深勢(shì)阱中，電子的波函數(shù)和能量通過(guò)求解謝定鄂方程得到.K是量子態(tài);L是長(zhǎng)度３>能帶理論能帶理論認(rèn)為：晶體中原子結(jié)合時(shí),由于原子之間的相互作用使簡(jiǎn)并能級(jí)分裂為一系列能量不同的能級(jí)。晶體中電子能級(jí)的間隙很小，能級(jí)分布是準(zhǔn)連續(xù)的，稱為能帶；價(jià)電子是公有化的和量子化的；金屬中離子的勢(shì)場(chǎng)是不均勻的，是周期排列的.由于周期性起伏的勢(shì)場(chǎng)影響，金屬中的能帶發(fā)生分裂,某些能態(tài)不能取值,稱為禁帶。在每個(gè)能級(jí)中只能允許有兩個(gè)自旋反向的電子存在。在外電場(chǎng)作用下電子沒(méi)有余地。能帶理論較好解釋了絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的導(dǎo)電性。勢(shì)場(chǎng)：原子之間有相互作用，當(dāng)原子規(guī)律地排列時(shí)，形成勢(shì)場(chǎng)。這個(gè)勢(shì)場(chǎng)是周期性起伏排列的，稱為周期性勢(shì)場(chǎng)。自由電子按能級(jí)分布,金屬中自由電子的能量是量子化的，金屬中大量的自由電子分布服從費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)分布,即電子占據(jù)能級(jí)的幾率為ｆ。自由電子的能態(tài)密度為能帶理論成功地解釋了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體的本質(zhì)不同.K空間：Ｋ空間是一個(gè)倒格矢空間。。nｘ,ｎy，nz是自由電子的量子數(shù),電子填充K空間的相應(yīng)的狀態(tài)，每個(gè)點(diǎn)是一個(gè)狀態(tài)對(duì)于金屬:其價(jià)帶部分被電子填充或?qū)е丿B。在外電場(chǎng)作用下，電子容易從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)到另一個(gè)能級(jí)上去而產(chǎn)生電流，有這種能帶結(jié)構(gòu)的材料是導(dǎo)體。所有金屬都是導(dǎo)體;如果價(jià)帶全部填充，而上面的導(dǎo)帶全部是空的,價(jià)帶與導(dǎo)帶有帶隙。在外電場(chǎng)作用下電子很難跳過(guò)禁帶,電子不能趨向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，即不能產(chǎn)生電流。有這種能帶結(jié)構(gòu)稱為絕緣體。半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別在于禁帶寬度不同。但在外界作用下,例如熱、光照、光輻射等,價(jià)帶上的電子可以躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)價(jià)帶留下空穴，這樣價(jià)帶的空穴和導(dǎo)帶的電子在外電場(chǎng)作用下都可以參與導(dǎo)電,具有這種能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為半導(dǎo)體。這種導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電;如果摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電稱為雜質(zhì)導(dǎo)電。2無(wú)機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理自由電子導(dǎo)電的能帶理論可以解釋金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電現(xiàn)象，卻難以解釋陶瓷、玻璃、高分子材料等非金屬的導(dǎo)電機(jī)理。金屬材料的電導(dǎo)的載流子是自由電子，而無(wú)機(jī)非金屬材料電導(dǎo)的載流子可以是電子、空穴、離子空位。載流子是電子或電子空位的導(dǎo)電稱為電子式導(dǎo)電;載流子是離子或離子空位的導(dǎo)電稱為離子式導(dǎo)電.例如離子晶體ＡｇＣｌ等，一些Ａｇ離子從其晶體中的正常位置離開(kāi)留下一些空位，之后它們卻占據(jù)晶體中的一些小間隙，即間隙位置。在外電場(chǎng)下，移位的間隙Ag離子從一個(gè)空位到另一個(gè)空位的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流。理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射和電子散射）,這個(gè)電阻在T＝0Ｋ時(shí)，降為０；在晶體有缺陷時(shí),電子在雜質(zhì)或缺陷上受到散射,此時(shí)即使T＝０K,電子也受到散射，產(chǎn)生電阻—?dú)堄嚯娮?，此電阻與溫度無(wú)關(guān).∴.對(duì)于固溶體ｐ殘對(duì)應(yīng)于溶質(zhì)原子加入后發(fā)生晶格畸變所產(chǎn)生的電阻率。在高溫下,金屬的電阻率取決于。在低溫下,金屬的電阻率取決于.第二節(jié)金屬導(dǎo)電性能影響因素一、溫度對(duì)金屬電阻率的影響.1)溫度越高,晶格振動(dòng)愈劇烈，對(duì)電子的散射作用愈強(qiáng)。當(dāng)T﹤5００Ｋ時(shí)，為平均電阻溫度系數(shù)，*對(duì)于純金屬,所以純金屬的電阻溫度系數(shù)近似等于４×10－3，＊對(duì)于過(guò)渡族元素，如Ｆｅ,=6×１０—3，電阻溫度系數(shù)比較大，且隨溫度而變化，在居里點(diǎn)溫度以下，隨溫度增高而增大，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)后急劇下降.＊金屬熔化時(shí),電阻率是固態(tài)時(shí)的2倍。＊當(dāng)金屬下降到0K時(shí),電阻急劇下降到0→超導(dǎo)現(xiàn)象。2)過(guò)渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變.在過(guò)渡族金屬中電阻與溫度間存在復(fù)雜的關(guān)系。Moｔt認(rèn)為這是由于在過(guò)渡族金屬中存在不同的載體所致。傳導(dǎo)電子有可能從ｓ外殼向d外殼過(guò)渡。在T﹤﹤時(shí),Ｓ態(tài)電子起作用３）鐵磁金屬的電阻-溫度關(guān)系。鐵磁金屬的電阻—溫度關(guān)系是與自發(fā)磁性有關(guān)的。在接近居里點(diǎn)溫度時(shí)，鐵磁金屬的電阻率的反常降低量Δt與自發(fā)磁化強(qiáng)度Ｍs的平方成正比這種反?，F(xiàn)象是由于參與自發(fā)磁化的d態(tài)電子與ｓ態(tài)電子相互作用所引起。二、應(yīng)力對(duì)金屬電阻率的影響1）在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高為應(yīng)力系數(shù)，為拉應(yīng)力，為無(wú)負(fù)荷時(shí)的金屬電阻率.2）壓力的影響.P為壓力,為壓力系數(shù)。金屬在壓力作用下,其原子間距減小，缺陷，電子結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)及電子散射機(jī)制都將發(fā)生變化。從而影響金屬的導(dǎo)電性能.對(duì)于過(guò)渡族金屬，其內(nèi)部存在能量差別不大的未填滿電子的殼層在壓力作用下，外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填滿的內(nèi)殼層,表現(xiàn)出性能的變化。根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響分為兩大類:一類是正常金屬元素，電阻率隨壓力增大而下降.一類是反常金屬：（堿金屬,堿土金屬,稀土金屬）隨壓力升高,先升高后下降。三、冷加工對(duì)金屬電阻的影響:冷加工變形可使金屬的電阻率增加２℅～６℅，但Ｗ,Ｍo，Sn可分別增加30~5０℅，15℅～20℅，９０℅。這是由于冷加工使晶體電陣發(fā)生畸變和缺陷，從而增加了電子散射的幾率。同時(shí)冷加工也會(huì)引起金屬原子間結(jié)合鍵發(fā)生改變,導(dǎo)致原子間距改變.為冷加工前電阻率，與溫度有關(guān)；為冷加工對(duì)電阻率的影響，與溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)T=0K時(shí)，，為殘余電阻率。四、晶體缺陷對(duì)電阻的影響空位,位錯(cuò),間隙原子等晶體缺陷使電阻率增加，在極低溫度下，、純金屬的電阻率由缺陷決定。五、熱處理對(duì)金屬電阻的影響.冷加工后，在進(jìn)行退火，可使電阻降低。淬火能夠固定金屬在高溫時(shí)的空位濃度，從而產(chǎn)生殘余電阻.淬火溫度愈高,空位濃度愈高，殘余電阻率越大。六、幾何尺寸效應(yīng)對(duì)電阻的影響。當(dāng)金屬的導(dǎo)電電子自由程與試樣尺寸是同一數(shù)量級(jí)時(shí)，就表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)。第三節(jié)合金的導(dǎo)電性能一、固溶體的導(dǎo)電性⑴固溶體電阻與組元濃度關(guān)系與純組元相比，合金的導(dǎo)電性能降低了，但電阻隨成分而無(wú)躍變。合金的電阻率比純組元成分高。這是因?yàn)榧兘M元存在原子半徑差，形成合金時(shí)會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，增加了電子的散射,原子半徑差越大，固溶體的電阻率越大.庫(kù)爾納科夫指出，在連續(xù)固溶體中，合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越高,一般合金的電阻率出現(xiàn)在50％濃度處.但鐵磁性的金屬極大值一般不在5０％濃度處，而是較高的濃度處。貴金屬與過(guò)渡族金屬組成固溶體時(shí)，極大值出現(xiàn)在較高的濃度處,而且電阻異常，這是因?yàn)樗麄兊膬r(jià)電子可以轉(zhuǎn)移到過(guò)渡族金屬的尚未填滿的d或f殼層,使有效電子數(shù)目減小。,⑵固溶體電阻與溫度的關(guān)系固溶體加熱是機(jī)電阻增大，根據(jù)馬基申定律為純?nèi)芙M元的電阻率,為殘余電阻率，，ｃ為雜質(zhì)原子含量，為溶入1%雜質(zhì)原子時(shí)所引起的附加電阻率,它與溫度無(wú)關(guān)。越大，越小對(duì)于一價(jià)溶劑金屬為基的固溶體,隨溶質(zhì)原子價(jià)的增加而減小.分別是固溶體溶質(zhì)和溶劑的原子價(jià)數(shù)。⑶有序固溶體的電阻對(duì)于CuＡｕ合金，淬火后在退火，其電阻值會(huì)發(fā)生變化,淬火得到的是無(wú)序固溶體，若低于庫(kù)爾納科夫點(diǎn)進(jìn)行退火，則在Cｕ3Aｕ和CuAｕ處的電阻率降低，則m，n點(diǎn)應(yīng)落在虛線上，所以CuAu，Ｃu3Aｕ存在殘余電阻。a:固溶體有序變化后，其合金組元的化學(xué)作用加強(qiáng),其電子結(jié)合比在無(wú)序態(tài)時(shí)更強(qiáng),這就使導(dǎo)電電子數(shù)減小而殘余電阻增大。b：然而晶體的離子勢(shì)場(chǎng)在有序化后更對(duì)稱，電子的散射幾率大大降低,因而有序合金的殘余電阻減小。第二中因素起主導(dǎo)作用，因而有序化合金的電阻率總是降低.有序化不僅存在于以組元為基的一級(jí)固溶體中,具有與組元不同空間點(diǎn)陣的中間相也可能存在有序化。⑷不均勻固溶體對(duì)于純金屬，冷加工可使固溶體電阻升高,而退火則降低。但對(duì)某些成分含有過(guò)渡族金屬的合金,例如Ｎｉ-Ｃr，Ni－Cu,Ｚｎ等盡管金相分析是單相的,但在回火中發(fā)現(xiàn)合金的電阻有反常升高，而在冷卻時(shí)發(fā)現(xiàn)合金的電阻率有明顯的降低,這種反常狀態(tài)稱為K狀態(tài)。分析結(jié)果表明,固溶體中的原子間距大小存在明顯的波動(dòng)，其波動(dòng)正是組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果,這種K狀態(tài)稱為不均勻固溶體.淬火不能完全阻止冷卻過(guò)程中不均勻固溶體的形成，即不能把高溫固溶體給固定下來(lái);而冷加工使電阻率下降是由于冷加工在很大程度上使固溶體不均勻組織受到破壞，并在固溶體中得到無(wú)序的均勻組織。二、金屬化合物的導(dǎo)電性當(dāng)兩種金屬的原子形成化合物時(shí)，其金屬的性能尤其是導(dǎo)電性能變化最為劇烈，電阻率要高許多.這是因?yàn)樵拥慕Y(jié)合發(fā)生了很大變化，至少一部金屬鍵轉(zhuǎn)變成為共價(jià)鍵或離子鍵,使導(dǎo)電電子數(shù)減少。金屬化合物的電阻與組元間的電離勢(shì)之差有關(guān)，若兩組元給出的電子能力相同則化合物電阻很低；若兩組元的電離勢(shì)相差很大，一組元根除的額電子被另一組元所吸收,則化合物電阻很大。三、多相合金的導(dǎo)電性當(dāng)合金的兩個(gè)以上的相組成時(shí)，金屬的導(dǎo)電性應(yīng)當(dāng)由組成相的導(dǎo)電性來(lái)決定。第四節(jié)電阻率的測(cè)量由于金屬的電阻率很低,所以只能通過(guò)單電橋法和雙電橋法進(jìn)行測(cè)量。⑴單電橋法R１，R２為可調(diào)已知電阻。當(dāng)調(diào)節(jié)這些電阻達(dá)到一定值時(shí),檢流計(jì)的讀數(shù)為０。則用單電橋法則電阻時(shí),不但包括待測(cè)電阻還包括導(dǎo)線電阻與接觸電阻．當(dāng)待測(cè)電阻較小時(shí),誤差大。單電橋法只適用測(cè)量１02～106的電阻⑵雙電橋法I1R１=Ｉ2Rx＋I(xiàn)3Ｒ３I1R2＝I2Rn+Ｉ3Ｒ４I3（R4+R4）＝(Ｉ2—I３）RＩ２(R1Ｒn-R２Rx）＝I３（Ｒ2R3—R1R４）Ｉ２R=I3（R+R3+R４）通過(guò)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)R1，R２,Ｒ３，R４,使，這樣就消除了Ｒ的影響。第五節(jié)電阻的分析應(yīng)用．當(dāng)組織,材料結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變時(shí)，其電阻率發(fā)生很大改變.一、研究合金的時(shí)效合金的時(shí)效往往有脫溶過(guò)程,從而使電阻發(fā)生顯著改變.在２０℃下進(jìn)行時(shí)效,發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間變化電阻升高.在２２5℃發(fā)現(xiàn)電阻降低．低溫時(shí)效電阻升高，是由于時(shí)效初期形成了極小的彌散區(qū)域，使導(dǎo)電電子發(fā)生散射，而這些區(qū)域(G—P）區(qū)是銅原子在鋁的晶體電陣中占優(yōu)勢(shì)偏聚的結(jié)果.高溫時(shí)效電阻降低，則是由于從固溶體析出了CｕAｌ2相,降低了溶質(zhì)的含量，使溶劑點(diǎn)陣的對(duì)稱性得到恢復(fù)。二、研究有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變a:合金在加熱過(guò)程中存在著有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變，它們的電阻會(huì)發(fā)生明顯的改變。若將室溫下為有序的加熱，當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，就要從有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序,引起電阻的升高。b：若將Ｃu3Ａｕ淬火后,保持了無(wú)序狀態(tài),如曲線1．當(dāng)回火溫度達(dá)到30０℃時(shí)，電阻開(kāi)始下降,這是由于合金無(wú)序在回火過(guò)程中變?yōu)橛行?若將合金650℃淬火后再回火，當(dāng)過(guò)渡到更高的回火溫度時(shí),發(fā)現(xiàn)電阻先升高,后下降，電阻升高是有序相晶核溶解了，降低是由于有序相數(shù)量在增加．三、測(cè)量固溶體的溶解度四、研究淬火鋼的回火淬火鋼回火時(shí)，馬氏體和奧氏體分解為多相混合組織,淬火后的回火溫度在110℃時(shí)電阻開(kāi)始急劇下降，其原因是產(chǎn)生了馬氏體的分解;在２30℃時(shí),電阻發(fā)生了劇烈的下降，著是由于殘余奧氏體分解的結(jié)果；高于300℃時(shí)電阻很少變化．第六節(jié)超導(dǎo)電性一、背景１９１1年荷蘭科學(xué)家在研究低溫下水銀的電阻發(fā)現(xiàn),當(dāng)Ｔ<4。2K時(shí)，水銀的溫度降低到最小值。這種在一定條件下材料的電阻忽然消失的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，這一轉(zhuǎn)變的溫度稱為臨界溫度（Tｋ）,材料失去電阻的狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài),此材料為超導(dǎo)體,存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)。超導(dǎo)體不僅存在于金屬中，也出現(xiàn)在合金，化合物,甚至半導(dǎo)體及氧化物陶瓷中。Tc=２3。２K;1986年貝若茲和穆勒（Zａ－Ba—Cｕ－O)發(fā)現(xiàn)Ｔc=３5K。19８7年獲得了Y－Ｂａ—Cu-Ｏ系(9０Ｋ）;Ｂa-Ｓｒ-Ca—Cu－Ｏ(11０K)Ti-Ba－Ca—Ｃu—Ｏ系（120K)二、超導(dǎo)體性能⑴完全導(dǎo)電性昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)將超導(dǎo)體做成環(huán)行狀放入磁場(chǎng)中,并冷卻到低溫，T〈Tc，使環(huán)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，此時(shí)環(huán)中無(wú)電流，去掉磁場(chǎng)，則有感應(yīng)電流產(chǎn)生。感生電流永不消失,環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流使環(huán)內(nèi)的磁通保持不變.⑵完全抗磁性將超導(dǎo)體冷卻至超導(dǎo)態(tài),然后加磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)。超導(dǎo)態(tài)為什么出現(xiàn)完全抗磁性呢？原因:外磁場(chǎng)在試樣表面感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流,此電流所經(jīng)歷的電阻為零，所產(chǎn)生的附加電磁總是與外磁場(chǎng)大小相等，方向相反，因而使超導(dǎo)體內(nèi)合成的磁場(chǎng)為零。三、超導(dǎo)電性影響因素和臨界參數(shù)⑴溫度當(dāng)T>Tc時(shí)，為正常態(tài)；T<Tc時(shí),材料為超導(dǎo)態(tài)，為臨界溫度⑵磁場(chǎng)當(dāng)T＜Tc,如果磁場(chǎng)超過(guò)Hc(T），超導(dǎo)態(tài)也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。Hc（T）為臨界磁場(chǎng)⑶電流密度當(dāng)T＜Tｃ,此時(shí)通人電流,當(dāng)電流密度超過(guò)Tc時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài).四、兩類超導(dǎo)體如果正常態(tài)在小于某一臨界值后全部轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，稱為第一類超導(dǎo)體。如果正常態(tài)在小于某一臨界值后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，稱為第二類超導(dǎo)體。對(duì)于第二類超導(dǎo)體存在兩個(gè)臨界磁場(chǎng),在正常態(tài)和完全超導(dǎo)態(tài)之間存在—混合區(qū)域—混合態(tài)。五、超導(dǎo)的物理本質(zhì):１9５7年。巴子，庫(kù)柏(coofeｒ)，施瑞弗等人揭示了超導(dǎo)的物理本質(zhì)－BCS理論.BCS理論：超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生原因是因?yàn)槌瑢?dǎo)體的電子在超導(dǎo)態(tài)時(shí),電子之間有特殊的吸引力,這種吸引力使電子雙雙結(jié)合成隊(duì),稱為庫(kù)柏類電子.電子結(jié)合成庫(kù)柏對(duì)電子后,能量降低而成為一個(gè)穩(wěn)定態(tài)，一個(gè)電子對(duì)能量比正常兩個(gè)電子降低了,稱為超導(dǎo)體能隙.溫度升高，庫(kù)柏對(duì)電子吸收能量躍遷到正常態(tài).第七節(jié)材料的熱電性能當(dāng)材料之間有一溫度差時(shí),會(huì)產(chǎn)生熱流,對(duì)于金屬，熱流與電子運(yùn)動(dòng)相關(guān)—產(chǎn)生電勢(shì)。它可以概括為三個(gè)基本的熱電效應(yīng)。一、第一熱電效應(yīng)若兩不同的導(dǎo)體，溫度不同，組成一閉合回路時(shí)，由于存在溫度差,將有電流產(chǎn)生-塞貝克效應(yīng).機(jī)理:產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)的主要原因是:兩個(gè)金屬具有不同的電子密度；兩個(gè)金屬的電子具有不同的逸出功。因而產(chǎn)生了電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),設(shè)A電子向B處以內(nèi)動(dòng),Ａ帶正電,Ｂ帶負(fù)電。VＡＢ=VB－VA＋VA,ＶＢ分別為金屬A，Ｂ的逸出功.二、第二熱電效應(yīng)—波爾帖效應(yīng).當(dāng)電流通過(guò)不同的導(dǎo)體組成的回路時(shí),除產(chǎn)生焦耳熱外,還在接頭處吸收或放出熱量Q.為波爾帖系數(shù)，可正可負(fù)三、第三熱電效應(yīng)-湯姆遜效應(yīng).當(dāng)電流通過(guò)具有一定溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)有一橫向熱流流人或流出導(dǎo)體。即吸熱或放熱－—湯姆遜效應(yīng)。為湯姆遜系數(shù)。當(dāng)金屬存在一溫度梯度時(shí)，高溫端T1的自由電子平均速度大于低溫端,由高溫端向低溫端擴(kuò)散的電子比地位內(nèi)端向高溫端擴(kuò)散的電子數(shù)多，這樣在高溫端出現(xiàn)凈正電荷,在低溫端出現(xiàn)凈負(fù)電荷,形成電場(chǎng)。當(dāng)外電流方向與溫度同向時(shí),電子將從T２向T1運(yùn)動(dòng)，被溫度場(chǎng)加速,這時(shí)電子獲得能量把一部分傳遞給晶格,使整個(gè)金屬溫度升高并放出能量。如果電流方向與溫度場(chǎng)方向相反時(shí),電子的晶格獲得能量，使整個(gè)金屬的能量降低，吸熱.當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體形成回路時(shí)，兩點(diǎn)的接觸溫度不同，三種熱效應(yīng)會(huì)同時(shí)發(fā)生。四、熱電子效應(yīng)固體受熱后，出現(xiàn)大量電子逸出固體進(jìn)入真空,形成熱電子發(fā)射的熱點(diǎn)現(xiàn)象—熱電子效應(yīng)。它是電子管,射線管的物理基礎(chǔ)。半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),價(jià)帶被價(jià)電子占滿，中間為禁帶,導(dǎo)帶是空的。當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí),例如溫度升高和有光照時(shí),滿帶中有少量電子有可能被激活到上面的空帶上，同時(shí)在滿帶留下部分空穴。在外電場(chǎng)作用下,電子和空穴都參與導(dǎo)電。一、熱敏效應(yīng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電，主要是電子和空穴造成的。溫度升高,電子動(dòng)能增大,造成晶體中自由電子和空穴數(shù)目增加,因而使電導(dǎo)率增大有一些半導(dǎo)體材料,在某些特定的溫度附近電阻率變化顯著，例如ＢaTｉO３在居里點(diǎn)附近,發(fā)生相變時(shí)電阻率劇增1０３~1０6個(gè)數(shù)量級(jí)。二、光敏效應(yīng)光的照射使半導(dǎo)體的電阻明顯下降，這種用光的照射使電阻率下降的現(xiàn)象稱為“光導(dǎo)”。光電導(dǎo)是由于具有一定能量的光子把能量傳遞電子，在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生大量的電子和空穴,促使電阻率下降。把光敏材料制成光敏電阻器。三、壓敏效應(yīng)１電壓敏感效應(yīng)有些半導(dǎo)體材料對(duì)電壓變化十分敏感,例如半導(dǎo)體ＺnO陶瓷,電阻隨電壓而變化，用具有壓敏特性的材料可制成壓敏電阻器。２壓力敏感效應(yīng)對(duì)材料施加應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形,從而使材料的電阻發(fā)生變化,但不改變材料的電阻率.對(duì)半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力，除產(chǎn)生變形外,能帶結(jié)構(gòu)也要產(chǎn)生相應(yīng)的變化,因而使材料的電阻率發(fā)生變化。這種由于應(yīng)力的作用使電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為壓力敏感效應(yīng).四、磁敏效應(yīng)１霍爾效應(yīng)將通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場(chǎng)中，設(shè)電場(chǎng)沿x方向，磁場(chǎng)和電場(chǎng)垂直,沿z方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,則在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)。Ｅ＝ＲJＢ2磁阻效應(yīng)在半導(dǎo)體中,在與電流垂直的方向施加磁場(chǎng)，使電流密度降低，即由于磁場(chǎng)的存在使半導(dǎo)體的電阻增大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng).介電極化與介電性能一、極化在真空平行板電容器的兩端插入介質(zhì)并在電極之間加以外電場(chǎng)時(shí),則會(huì)發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)表面感應(yīng)了電荷，正電極感應(yīng)了負(fù)電荷，負(fù)電極感應(yīng)了正電荷，這種感應(yīng)電荷不會(huì)跑到對(duì)面極板上形成電流.稱為束縛電荷.介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱為介質(zhì)極化，這類材料稱為電介質(zhì)。組成電介質(zhì)的粒子可分為極性與非極性兩類。非極性介質(zhì)粒子在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，其正負(fù)電荷中心是重合的,對(duì)外沒(méi)有極性。在外電場(chǎng)作用下，粒子的正電荷將沿電場(chǎng)方向移動(dòng),負(fù)電荷沿逆電場(chǎng)方向移動(dòng),形成偶極子。設(shè)正電荷和負(fù)電荷的位移矢量為u，電偶極矩U=uｑ,方向從負(fù)電荷指向正電荷。材料被極化后，電偶極子方向?yàn)橥怆妶?chǎng)方向。外電場(chǎng)越強(qiáng),每個(gè)粒子的正負(fù)電荷中心的距離越大，粒子的電偶極矩越大；外電場(chǎng)消失后，正負(fù)電荷中心又重合,束縛電荷也隨之消失。由極性分子組成的電介質(zhì)，雖然每個(gè)分子都有一定的電偶極矩,但是在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，電偶極矩的排列是雜亂無(wú)章的，整個(gè)電介質(zhì)呈中性,對(duì)外沒(méi)有極性。當(dāng)施加外電場(chǎng)，整個(gè)分子都受到電場(chǎng)作用，哥哥分子的電偶極矩有轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向的趨勢(shì).外電場(chǎng)越強(qiáng)，分子偶極子的排列越整齊，電介質(zhì)表面出現(xiàn)的束縛電荷也就越多，電極化程度越高.當(dāng)外電場(chǎng)取消后,電偶極矩又處于無(wú)序狀態(tài)。單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，介質(zhì)的電偶極子的大小稱為極化率。電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下的極化程度用極化強(qiáng)度Ｐ表示，它是介質(zhì)單位體積中的感生電偶極矩，稱為電矩，；對(duì)于線性極化,平均電偶極矩與作用在粒子上的局部電場(chǎng)強(qiáng)度Ｅｌｏc成正比。極化的基本形式介質(zhì)的極化是由電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化組成。這些極化的基本形式分為兩大類:位移極化和松弛極化.位移極化是一種彈性的、瞬間完成的極化，極化過(guò)程不消耗能量，電子極化和離子極化都屬于這種類型；松弛極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一定的時(shí)間，屬于非彈性極化，極化過(guò)程需要一定的能量,電子松弛極化和離子松弛極化屬于這種類型.１、位移極化經(jīng)典理論認(rèn)為：在外電場(chǎng)作用下原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移,形成的極化稱為電子位移極化。電子位移極化的性質(zhì)是具有一個(gè)彈性的束縛電荷在強(qiáng)迫振動(dòng)中表現(xiàn)的特性。在交變電場(chǎng)作用下,把帶有－e電量和ｍ質(zhì)量的粒子看成是帶有電量+e的中心所束縛。極化率為:；當(dāng)時(shí)，得到靜態(tài)極化率為振動(dòng)頻率;0為彈性偶極子的固有頻率。離子在電場(chǎng)作用下平移平衡位置的移動(dòng)相當(dāng)于感生偶極矩。在電場(chǎng)中的位移受到彈性恢復(fù)力的作用，設(shè)正離子的位移為+，負(fù)離子的位移為-,則感生偶極矩為：．為離子極化率;q為離子電量。；2、松弛極化松弛極化雖然是由電場(chǎng)造成的,但是還與粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。當(dāng)材料存在聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛粒子時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使這些松弛質(zhì)點(diǎn)分布混亂，而電場(chǎng)作用使這些粒子按電場(chǎng)分布，最后在一定溫度下發(fā)生極化，松弛極化具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。粒子運(yùn)動(dòng)需要克服一定的勢(shì)壘，是一個(gè)不可逆過(guò)程。電子松弛極化是由弱束縛電子引起的。晶格振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部改變等因素，都使電子能態(tài)發(fā)生改變,出現(xiàn)位于禁帶的局部能級(jí)，形成弱束縛電子。例如”F-心"就是由一個(gè)負(fù)離子空位俘獲一個(gè)電子形成的，“Ｆ－心”的弱束縛電子為周圍節(jié)點(diǎn)的陽(yáng)離子共有，晶格振動(dòng)時(shí),吸收一定的能量由較低的局部能級(jí)躍遷到較高能級(jí)而處于激活狀態(tài),從一個(gè)陰離子結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶格位置。外電場(chǎng)使電子運(yùn)動(dòng)具有方向性,形成了極化狀態(tài),這種狀態(tài)與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也是一個(gè)熱松弛過(guò)程，是一個(gè)不可逆過(guò)程，有能量損耗。離子松弛極化是由弱聯(lián)系的離子產(chǎn)生的。在離子晶體中,離子本身的能量較高，易被活化轉(zhuǎn)移，稱為弱聯(lián)系的離子。弱聯(lián)系離子的極化從一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平衡位置。去除外電場(chǎng)，離子不能回到原來(lái)位置，是一個(gè)不可逆過(guò)程.松弛極化離子僅作有限位移，只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動(dòng)。3、轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中。在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，各極性分子的取向在各個(gè)方向的幾率是均等的。就介質(zhì)整體來(lái)看，偶極矩為零;在外電場(chǎng)作用下，偶極矩發(fā)生轉(zhuǎn)向,趨于和外電場(chǎng)一致。但熱運(yùn)動(dòng)有抵制這種的趨勢(shì)，所以體系晶粒一個(gè)新的平衡。在這種狀態(tài)下,沿外場(chǎng)方向取向的偶極子比和它反向的偶極子數(shù)目多,所以整個(gè)介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。極性分子的轉(zhuǎn)向極化率為.三、介電常數(shù)綜合反應(yīng)電介質(zhì)材料的極化行為的一個(gè)主要宏觀物理量是介電常數(shù)，它是表征在有電介質(zhì)的電容與在真空時(shí)的電容的比值。在平行板電容器的兩極充以一定的電荷，當(dāng)兩極存在電介質(zhì)時(shí),兩極的電位差比沒(méi)有電介質(zhì)存在時(shí)的低,這是由于介質(zhì)的極化,在表面感生了電荷從而屏蔽了靜電場(chǎng)。根據(jù)靜電場(chǎng)理論，電容器極板上的自由電荷密度用Ｄ表示,稱為電位移,其方向從自由正電荷指向自由負(fù)電荷。在真空狀態(tài),極板上的電位移與外電場(chǎng)關(guān)系為：,0稱為真空介電常數(shù).當(dāng)兩極板充以均勻電介質(zhì)時(shí),由于電介質(zhì)的極化作用,電位移D為對(duì)于各向同性介質(zhì)，極化強(qiáng)度P與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，并且方向相同:為電介質(zhì)材料的極化率,它表示出材料被電場(chǎng)極化的能力。和r分別為電介質(zhì)材料的介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)，它們是描述電介質(zhì)材料的基本參數(shù)，電介質(zhì)的介電常數(shù)大于真空介電常數(shù)。如果在交變電場(chǎng)作用下,D和P往往滯后E,存在一個(gè)相位角。＊為復(fù)介電常數(shù)；s為靜態(tài)介電常數(shù)。復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部分別為：四、影響介電常數(shù)的因素材料的介電常數(shù)與極化強(qiáng)度有關(guān),因此影響電極化的因素有:１）極化類型的影響電介質(zhì)極化過(guò)程是非常復(fù)雜的,極化類型有許多種,有：彈性位移極化；偶極子轉(zhuǎn)向極化；松弛極化;高介晶體中的極化；諧振極化;自發(fā)極化等。2）環(huán)境對(duì)介電常數(shù)的影響。首先是溫度的影響。有介電常數(shù)與溫度成線性和非線性關(guān)系.有的材料隨溫度升高極化程度增大；有的材料隨溫度升高極化程度降低。電介質(zhì)的介電損耗一、電介質(zhì)損耗電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，總是或多或少地把部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏菇橘|(zhì)發(fā)熱.電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)間因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率。實(shí)際中的絕緣材料都不是理想的電介質(zhì),其電阻不是無(wú)窮大,在外電場(chǎng)作用下，總有一些帶電粒子會(huì)發(fā)生移動(dòng)而引起微弱電流，稱為漏導(dǎo)電流。樓道電流使介質(zhì)發(fā)