材料性能與測試材料的電性能學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1材料性能材料性能(xngnng)與測試材料的電性能與測試材料的電性能(xngnng)第一頁，共62頁。2 材料電學(xué)性能是材料物理性能的重要組成部分。材料電學(xué)性能是材料物理性能的重要組成部分。電流是電荷的定向運動，因此有電流必須有電荷輸運電流是電荷的定向運動，因此有電流必須有電荷輸運過程。電荷的載體稱為載流子，可以是電子、空穴過程。電荷的載體稱為載流子，可以是電子、空穴(kn xu)、離子；、離子； 由于工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧蠈?dǎo)電性能的不同要求，由于工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧蠈?dǎo)電性能的不同要求，相應(yīng)的研制出不同電學(xué)性能的材料，如導(dǎo)體合金、精相應(yīng)的研制出不同電學(xué)性能的材料，如導(dǎo)體合金、精密電阻合金、電

2、熱合金、觸點材料、半導(dǎo)體材料等；密電阻合金、電熱合金、觸點材料、半導(dǎo)體材料等；引 言 第1頁/共61頁第二頁，共62頁。39.1 材料(cilio)的導(dǎo)電性能9.2 材料的超導(dǎo)(cho do)性能目 錄 9.4 材料(cilio)的熱電性能9.5 材料壓電性能與鐵電性能材料壓電性能與鐵電性能 9.3 介質(zhì)極化與介質(zhì)損耗介質(zhì)極化與介質(zhì)損耗第2頁/共61頁第三頁，共62頁。4RVI/9.1 材料(cilio)的導(dǎo)電性能SLR 材料材料(cilio)(cilio)的導(dǎo)電性能指標的導(dǎo)電性能指標第3頁/共61頁第四頁，共62頁。5第4頁/共61頁第五頁，共62頁。6一、一、 金屬金屬(jnsh)及半導(dǎo)體

3、的導(dǎo)電機理及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理導(dǎo)電理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要階段：經(jīng)典電子理論量子電子理論能帶理論導(dǎo)電理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要階段：經(jīng)典電子理論量子電子理論能帶理論1、經(jīng)典電子理論、經(jīng)典電子理論 離子構(gòu)成了晶格點陣離子構(gòu)成了晶格點陣, 價電子是價電子是自由電子自由電子, 遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子(fnz)的運動規(guī)律；自由電子定向運動中，的運動規(guī)律；自由電子定向運動中，不斷與正離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電阻；不斷與正離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電阻；金屬的導(dǎo)電性取決于自由電子的數(shù)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動速度；量、平均自由程和平均運動速度； 材料材料(cilio)(cili

4、o)的導(dǎo)電的導(dǎo)電機理機理vmlne22n電子密度；e電子電量；l平均自由程；v電子運動平均速度；m電子質(zhì)量第5頁/共61頁第六頁，共62頁。71)1)不能解釋一價金屬導(dǎo)電性比二、三價金屬好；不能解釋一價金屬導(dǎo)電性比二、三價金屬好；2)2)實踐證明，高溫實踐證明，高溫TT，低溫，低溫T 5T 5。 3)3)自由電子的比熱，實驗值比理論值小很多。自由電子的比熱，實驗值比理論值小很多。4)4)經(jīng)典經(jīng)典(jngdin)(jngdin)理論不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象理論不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象 存在存在(cnzi)的缺陷的缺陷 ，可見理論與實際不符可見理論與實際不符 經(jīng)典經(jīng)典(jngdin)電子論在一定程度上解釋了金屬導(dǎo)

5、電的本質(zhì)電子論在一定程度上解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)用經(jīng)典力學(xué)處理微觀質(zhì)點的運動，不能正確反映微觀質(zhì)點的運動規(guī)律用經(jīng)典力學(xué)處理微觀質(zhì)點的運動，不能正確反映微觀質(zhì)點的運動規(guī)律第6頁/共61頁第七頁，共62頁。82、量子自由電子理論、量子自由電子理論 根本區(qū)別是自由電子的運動必須服從量子力學(xué)的規(guī)律。電子是費米子，導(dǎo)電的只是根本區(qū)別是自由電子的運動必須服從量子力學(xué)的規(guī)律。電子是費米子，導(dǎo)電的只是(zhsh)費米能級附近的電子，原子的內(nèi)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電子具有波粒二象性運動為著的電子作為物質(zhì)波，有關(guān)系式：費米能級附近的電子，原子的內(nèi)層電子保持著單個原子時的能量狀

6、態(tài)，價電子按量子化具有不同的能級電子具有波粒二象性運動為著的電子作為物質(zhì)波，有關(guān)系式： 一價金屬中自由電子的動能一價金屬中自由電子的動能 E K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)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從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量或動量)之間的關(guān)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(guān)系；電子的波數(shù)越大，則能量越高；之間的關(guān)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(guān)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(chǎn)生；沒

7、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(chǎn)生；2222821222KmhmvEhphmvKphmvh圖圖9-1 自由電子自由電子(z yu din z)的的EK曲線曲線第7頁/共61頁第八頁，共62頁。9第8頁/共61頁第九頁，共62頁。10 在外加電場的作用下，使正在外加電場的作用下，使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電，只有處于較高能態(tài)的自由導(dǎo)電，只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電；電子參與導(dǎo)電； 缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生(chnshng)的靜態(tài)點陣畸變和的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成

8、散射，形成電阻；電磁波造成散射，形成電阻；2*2*2222envmlenvmvmlenefFFefFFFefnef單位體積內(nèi)實際參加傳導(dǎo)的電子數(shù)；單位體積內(nèi)實際參加傳導(dǎo)的電子數(shù)；e電子電量；電子電量；l平均自由程；平均自由程；v電子運動電子運動(yndng)平均速度；平均速度；m*電子有效質(zhì)量電子有效質(zhì)量散射系數(shù)散射系數(shù)缺陷：假設(shè)離子(lz)勢場均勻，不符合實際圖圖9-2 電場對電場對EK曲線曲線的影響的影響第9頁/共61頁第十頁，共62頁。11位移，為什么固體的導(dǎo)電性差別巨大？能帶理論解決；價電子是公有化、能量量子化，和量子自由電子理論一致； 金屬中由離子所造成的勢場不是均勻金屬中由離子所造

9、成的勢場不是均勻(jnyn)的，這個勢能不是的，這個勢能不是常數(shù)，是位置的函數(shù)，采用單電子近似求解薛定鍔方程，得出電子在常數(shù)，是位置的函數(shù)，采用單電子近似求解薛定鍔方程，得出電子在晶體中的能量狀態(tài)，將在能級的準連續(xù)譜上出現(xiàn)能隙，分為禁帶和允晶體中的能量狀態(tài)，將在能級的準連續(xù)譜上出現(xiàn)能隙，分為禁帶和允帶；價電子在金屬中的運動要受到周期場的作用帶；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，即有能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的某些能態(tài)是電子不能取值的;圖圖9-3 周期場中電子運動周期場中電子運動(yndng)的的對對EK曲線及能帶曲線及能帶第10頁/共61頁第十一頁，共62頁。

10、12圖圖9-4 能帶填充能帶填充(tinchng)情況示意圖情況示意圖第11頁/共61頁第十二頁，共62頁。13第12頁/共61頁第十三頁，共62頁。14 具有部分充填能帶結(jié)構(gòu)的晶體大都是導(dǎo)體；具有部分充填能帶結(jié)構(gòu)的晶體大都是導(dǎo)體；IA族堿金屬族堿金屬Li、Na、K、Rb、Se，IB族的族的Cu、Ag、Au，外層，外層s電子傳導(dǎo)電子，每電子傳導(dǎo)電子，每個原子只能給出一個價電子，價帶只能填充半滿。個原子只能給出一個價電子，價帶只能填充半滿。 二價元素，如二價元素，如A族堿土族堿土Be、Mg、Ca、Sr、Ba，B族族Zn、Cd、Hg，每個原子給出兩個價電子，能帶填滿，每個原子給出兩個價電子，能帶填

11、滿(tin mn)，應(yīng)該是，應(yīng)該是絕緣體，但是在三維晶體下，能帶之間發(fā)生重疊，費米能級以上絕緣體，但是在三維晶體下，能帶之間發(fā)生重疊，費米能級以上不存在禁帶，因此也是金屬；不存在禁帶，因此也是金屬； 三價元素三價元素Al、Ga、In、Tl每個單胞含一個原子，給出三個價每個單胞含一個原子，給出三個價電子，填滿電子，填滿(tin mn)一個帶和一個半滿帶，也是金屬；一個帶和一個半滿帶，也是金屬；As、Sb、Bi每個原子外圍有每個原子外圍有5個電子，原胞是個電子，原胞是2個原子，個原子，5個帶填個帶填10個電子全個電子全滿，帶中電子少，半金屬，傳導(dǎo)電子濃度只有滿，帶中電子少，半金屬，傳導(dǎo)電子濃度只有

12、1024/m3，比金屬少，比金屬少4個數(shù)量級。個數(shù)量級。第13頁/共61頁第十四頁，共62頁。15 四價元素比較特殊，導(dǎo)帶是空的，價帶完全填滿四價元素比較特殊，導(dǎo)帶是空的，價帶完全填滿(tin mn)，中間有能隙，中間有能隙Eg較小，較小，Ge、Si分別為分別為0.67eV和和1.14eV。室。室溫下，價帶電子受熱激發(fā)進入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子，溫度增加溫下，價帶電子受熱激發(fā)進入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子，溫度增加，導(dǎo)電性增加，因此低溫下是絕緣體，室溫下半導(dǎo)體。，導(dǎo)電性增加，因此低溫下是絕緣體，室溫下半導(dǎo)體。 離子晶體一般為絕緣體。例如離子晶體一般為絕緣體。例如NaCl晶體中晶體中Na的的3s電子電子移到

13、移到Cl中，中，3s軌道空，軌道空，Cl的的3p軌道滿帶，中間有軌道滿帶，中間有10eV的能的能隙，若激發(fā)不能使電子進入導(dǎo)帶；隙，若激發(fā)不能使電子進入導(dǎo)帶；(一般情況下絕緣體一般情況下絕緣體Eg3 eV)第14頁/共61頁第十五頁，共62頁。16金屬非金屬使用時間和人類文明同步，半導(dǎo)體應(yīng)用是金屬非金屬使用時間和人類文明同步，半導(dǎo)體應(yīng)用是2020世紀世紀5050年代開始年代開始(kish)(kish)，信息時代，信息時代 本征半導(dǎo)體：純的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純的半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體：引入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體：引入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體，n n、p p型型 本征半導(dǎo)體的電子本征半導(dǎo)體的電子空穴對是由熱激

14、活產(chǎn)生的空穴對是由熱激活產(chǎn)生的 雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大 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)系為半導(dǎo)體)2/exp(0kTEg00系數(shù)系數(shù)(xsh)(xsh)；EgEg禁帶寬度；禁帶寬度；k k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；T T絕對溫度；絕對溫度；第15頁/共61頁第十六頁，共62頁。17晶體晶體Eg(eV)晶體晶體Eg(eV)C(金剛石)5.2-5.6CdS2.42PN4.8GaP2.25Ga2O34.6Cu2O2.1CoO4CdO2.1TiO23.1-3.8Te1.45Fe2O33.1GaSe1.4BaT

15、iO32.5-3.2Si1.1SiO22.8-3PbSe0.27-0.5ZnSe2.6PbTe0.25-0.3Al2O32.5PbS0.35本征半導(dǎo)體室溫(sh wn)下的Eg第16頁/共61頁第十七頁，共62頁。18本征激發(fā)(jf) 絕對零度時，價電子無法絕對零度時，價電子無法(wf)(wf)掙脫共價鍵束縛，不導(dǎo)電；掙脫共價鍵束縛，不導(dǎo)電； 溫度上升、光照時，熱激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，形成電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力只取決于電子空穴對數(shù)量多少，和價電子數(shù)目多少無關(guān)。溫度上升、光照時，熱激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，形成電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力只取決于電子空穴對數(shù)量多少，和價

16、電子數(shù)目多少無關(guān)。第17頁/共61頁第十八頁，共62頁。19摻雜(chn z)半導(dǎo)體和PN結(jié) 摻入微量的五價元素摻入微量的五價元素(yun s)P(yun s)P、AsAs、銻，多余一個價電子處于共價鍵之外成為自由電子，雜質(zhì)原子為正離子，、銻，多余一個價電子處于共價鍵之外成為自由電子，雜質(zhì)原子為正離子，N N型；型； 摻入微量的三價元素摻入微量的三價元素(yun s)Al(yun s)Al、B B、InIn，少個價電子產(chǎn)生空穴，雜質(zhì)原子為負離子，導(dǎo)電依靠空穴，少個價電子產(chǎn)生空穴，雜質(zhì)原子為負離子，導(dǎo)電依靠空穴，P P型；型；正向?qū)?，反向正向?qū)ǎ聪?fn xin)擊穿，擊穿，Si管導(dǎo)通管導(dǎo)

17、通0.6-0.8V,Ge管管0.1-0.3V第18頁/共61頁第十九頁，共62頁。20三極管(結(jié)晶體管)和場效應(yīng)管第19頁/共61頁第二十頁，共62頁。21 1、離子晶體導(dǎo)電、離子晶體導(dǎo)電 離子導(dǎo)電離子電荷載流子在電場的作用下定向流離子導(dǎo)電離子電荷載流子在電場的作用下定向流動；可以分為兩類：一是源于晶體點陣中基本離子的動；可以分為兩類：一是源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子本征電導(dǎo)，熱激活引起；二是源于晶運動，稱為離子本征電導(dǎo)，熱激活引起；二是源于晶體點陣中雜質(zhì)體點陣中雜質(zhì)(zzh)離子的運動，稱為雜質(zhì)離子的運動，稱為雜質(zhì)(zzh)電電導(dǎo)；導(dǎo)； 離子電導(dǎo)率和溫度關(guān)系：離子電導(dǎo)率和溫度關(guān)系：

18、 存在的多種載流子時，材料存在的多種載流子時，材料 的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的 總和總和 二、無機非金屬的導(dǎo)電二、無機非金屬的導(dǎo)電(dodin)機理機理iikTBATBAhbenazAkTEAi)exp(ln2)exp(222第20頁/共61頁第二十一頁，共62頁。22 2、玻璃導(dǎo)電、玻璃導(dǎo)電(dodin) 常溫下玻璃絕緣體，高溫下電阻大大降低，有些成常溫下玻璃絕緣體，高溫下電阻大大降低，有些成為導(dǎo)體。硅化物玻璃，可移動的載流子是為導(dǎo)體。硅化物玻璃，可移動的載流子是SiO2基體中基體中的一價陽離子，如的一價陽離子，如Na離子。調(diào)整成分可以控制玻璃的離子。調(diào)整成分可以控制玻

19、璃的電阻率。電阻率。 目前許多的半導(dǎo)體玻璃、導(dǎo)電目前許多的半導(dǎo)體玻璃、導(dǎo)電(dodin)玻璃，如非晶硅玻璃，如非晶硅、ITO等，復(fù)合材料，其導(dǎo)電等，復(fù)合材料，其導(dǎo)電(dodin)機理是電子導(dǎo)機理是電子導(dǎo)電電(dodin)，和硅化物玻璃的導(dǎo)電，和硅化物玻璃的導(dǎo)電(dodin)機理不同機理不同。第21頁/共61頁第二十二頁，共62頁。23 常用的電導(dǎo)常用的電導(dǎo)(din do)(din do)功能材料功能材料一、導(dǎo)電一、導(dǎo)電(dodin)材料材料 傳送電流而很小電能損失的材料，電力工業(yè)用的電線、電傳送電流而很小電能損失的材料，電力工業(yè)用的電線、電纜為代表，包括強電弱電，如導(dǎo)電纜為代表，包括強電弱電，

20、如導(dǎo)電(dodin)涂料、膠粘帶、涂料、膠粘帶、透明導(dǎo)電透明導(dǎo)電(dodin)材料等；材料等；1、Cu及及Cu合金：電解銅，含量在合金：電解銅，含量在99.97-99.98%,可分為半硬可分為半硬銅銅(電導(dǎo)率電導(dǎo)率98%-99%), 硬銅硬銅(96-98%);雜質(zhì)降低電導(dǎo)率，特別是雜質(zhì)降低電導(dǎo)率，特別是氧，無氧銅性能穩(wěn)定抗腐蝕延展性好，拉成細絲，適于海底氧，無氧銅性能穩(wěn)定抗腐蝕延展性好，拉成細絲，適于海底電纜軟線；電纜軟線；2、Al及及Al合金：含量在合金：含量在99.6-99.8%, 相對電導(dǎo)率相對電導(dǎo)率61，僅次于，僅次于Ag、Cu、Au，密度只有，密度只有Cu的的1/3，160V以上高壓

21、線用鋼絲增以上高壓線用鋼絲增強強Al電纜、合金增強電纜、合金增強Al線；使用溫度低于線；使用溫度低于90；耐熱；耐熱Al合金合金可在可在150下工作，用作大容量高壓輸電線；超耐熱下工作，用作大容量高壓輸電線；超耐熱Al合金可合金可在在200下工作，變電站下工作，變電站第22頁/共61頁第二十三頁，共62頁。24二、電阻二、電阻(dinz)材料材料 電路設(shè)計需要，提供電路設(shè)計需要，提供(tgng)一定的電阻；如電熱元件，傳感器一定的電阻；如電熱元件，傳感器，有金屬、碳素、半導(dǎo)體，形狀各異，要求是電阻溫度系數(shù)小，阻，有金屬、碳素、半導(dǎo)體，形狀各異，要求是電阻溫度系數(shù)小，阻值穩(wěn)定，電阻率適當，加工連

22、接容易值穩(wěn)定，電阻率適當，加工連接容易1、精密電阻合金：錳銅合金、精密電阻合金：錳銅合金(電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)20-10010-6/)，銅鎳，銅鎳合金含量合金含量(電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)2010-6/)，均勻退火保證電學(xué)性能溫度，均勻退火保證電學(xué)性能溫度；2、電熱合金：工作溫度可達、電熱合金：工作溫度可達900-1350，鎳鉻合金、，鎳鉻合金、FeNiCr合金合金，F(xiàn)eCrAlCo等；等；3、高溫加熱元件和電極：主要在、高溫加熱元件和電極：主要在1500上使用，金屬上使用，金屬Pt可以在空可以在空氣中使用至氣中使用至1500，石墨、，石墨、Mo、W只能在還原氣氛下使用，陶瓷只能在還原氣氛

23、下使用，陶瓷電熱元件電熱元件(SiC、MoSi2、LaCrO3)可在空氣中使用；可在空氣中使用；第23頁/共61頁第二十四頁，共62頁。25三、電觸點三、電觸點(ch din)材料材料 電流通過兩導(dǎo)體接觸部分的電阻稱為接觸電阻，包括會聚電阻電流通過兩導(dǎo)體接觸部分的電阻稱為接觸電阻，包括會聚電阻(接接觸面變小產(chǎn)生的觸面變小產(chǎn)生的)、過渡電阻、過渡電阻(表面膜電阻表面膜電阻)； 觸點材料主要是鉑系材料，接觸電阻穩(wěn)定。觸點材料主要是鉑系材料，接觸電阻穩(wěn)定。Pt熔點熔點1764，高溫時，高溫時產(chǎn)生熔化粘結(jié)，加入產(chǎn)生熔化粘結(jié)，加入30-70的的Ir，形成，形成Pt-Ir合金，熔點高，抗氧化合金，熔點高，

24、抗氧化性好；性好；OsIr合金；合金； W熔點熔點3382，硬度高，但在空氣中極易氧化，加工困難，硬度高，但在空氣中極易氧化，加工困難(kn nn)。W-Ag合金用作大電流的繼電器開關(guān)觸點；合金用作大電流的繼電器開關(guān)觸點；W-Cu合金用于油合金用于油浸的斷路開關(guān)；浸的斷路開關(guān)； Ag熔點熔點960，99.8以上純度的以上純度的Ag，接觸電阻非常小，用于小繼，接觸電阻非常小，用于小繼電器觸點；電器觸點；6Pt-69Cu-25Ag合金可代替合金可代替Pt用于通訊電路中的觸用于通訊電路中的觸點材料；點材料； Cu價格便宜，廣泛應(yīng)用于繼電器的觸點，但表面易氧化，使用過價格便宜，廣泛應(yīng)用于繼電器的觸點，

25、但表面易氧化，使用過程中接觸電阻增加，加入程中接觸電阻增加，加入Ag改善；改善；Cu-Be合金用于頻繁開關(guān)，如電氣合金用于頻繁開關(guān)，如電氣機車的開關(guān)觸點；機車的開關(guān)觸點；第24頁/共61頁第二十五頁，共62頁。26金屬電阻率隨溫度升高而增大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(dǎo)致電阻率增大）電子運動自由程減小，散射幾率增加導(dǎo)致電阻率增大； 2）在德拜溫度以上）在德拜溫度以上(yshng)，電子是完全自由的，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，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；金屬的電阻取決于離

26、子的熱振動；3）純金屬的電阻率與溫度關(guān)系）純金屬的電阻率與溫度關(guān)系 4）當溫度較低）當溫度較低(低于德拜溫度低于德拜溫度)時時 應(yīng)考慮振動原子與導(dǎo)電電子之間的相互作用，低溫時，積應(yīng)考慮振動原子與導(dǎo)電電子之間的相互作用，低溫時，積分值趨于常數(shù)，電阻率分值趨于常數(shù)，電阻率 T5 材料材料(cilio)(cilio)導(dǎo)電性影導(dǎo)電性影響因素響因素)1 (0TT一、溫度一、溫度(wnd)第25頁/共61頁第二十六頁，共62頁。27圖圖9-5 金屬電阻金屬電阻(dinz)溫度溫度曲線曲線圖圖9-6 銻、鉀、鈉熔化時電阻率銻、鉀、鈉熔化時電阻率變化變化(binhu)曲線曲線5）大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，）大

27、多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約其電阻率會突然增大約1-2倍，原倍，原子長程排列被破壞子長程排列被破壞 )1 (0TT第26頁/共61頁第二十七頁，共62頁。28冷塑性變形使金屬的電阻率增大冷塑性變形使金屬的電阻率增大(zn d) 一般一般2-6，W增加增加30-50， Mo增加增加15-20；1）晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，空位濃度的增加，降低點陣電場均勻性，加大電子散射；）晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，空位濃度的增加，降低點陣電場均勻性，加大電子散射；2）原子間距改變）原子間距改變3）再結(jié)晶退火降低缺陷，可使電阻率恢復(fù)到冷變形前的水平；淬火升高電阻率；）再結(jié)晶退火降低缺陷，可使電

28、阻率恢復(fù)到冷變形前的水平；淬火升高電阻率；4）應(yīng)力的影響）應(yīng)力的影響 拉升壓降拉升壓降二、冷加工和缺陷二、冷加工和缺陷(quxin)第27頁/共61頁第二十八頁，共62頁。29 1）固溶體導(dǎo)電性 純金屬導(dǎo)電性和其元素周期表位置有關(guān)，不同的能帶結(jié)構(gòu)；合金復(fù)雜 固溶時電阻率增高 原因：溶劑點陣的畸變，增加(zngji)電子散射，有效電子數(shù)減少 低濃度固溶體符合馬西森定律 一是溶劑的電阻，二是溶質(zhì)引起的附加電阻三、合金化三、合金化第28頁/共61頁第二十九頁，共62頁。302)金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電能力都比較差金屬化合物的導(dǎo)電能力都比較差原因：金屬鍵變?yōu)殡x子鍵、共價鍵，

29、導(dǎo)電電子原因：金屬鍵變?yōu)殡x子鍵、共價鍵，導(dǎo)電電子(dinz)數(shù)減少數(shù)減少 3)多相合金的電阻率多相合金的電阻率 組成相的導(dǎo)電性及相對量、合金的組織形態(tài)組成相的導(dǎo)電性及相對量、合金的組織形態(tài)第29頁/共61頁第三十頁，共62頁。31 材料材料(cilio)(cilio)導(dǎo)電性測量導(dǎo)電性測量一、電阻一、電阻(dinz)測量方法測量方法1) 雙電橋法雙電橋法 雙電橋法是測量小電阻的常用雙電橋法是測量小電阻的常用(chn yn)方法，有較高方法，有較高的精度的精度2) 電位差計法電位差計法 測量小電阻有很高的精度測量小電阻有很高的精度3) 安培一伏特計法安培一伏特計法 毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小

30、，誤差越小毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小4) 直流四探針法直流四探針法 中、高電導(dǎo)率的材料中、高電導(dǎo)率的材料第30頁/共61頁第三十一頁，共62頁。32第31頁/共61頁第三十二頁，共62頁。339.2 材料(cilio)的超導(dǎo)性能 超導(dǎo)超導(dǎo)(cho do)的概念的概念第32頁/共61頁第三十三頁，共62頁。34 超導(dǎo)超導(dǎo)(cho do)的特點的特點圖圖9-5 超導(dǎo)超導(dǎo)(cho do)態(tài)對磁態(tài)對磁通的排斥通的排斥超導(dǎo)體的兩個超導(dǎo)體的兩個(lin )(lin )基本基本特征特征1 1、完全導(dǎo)電性、完全導(dǎo)電性 永久電流永久電流 NbZr NbZr合金超導(dǎo)線合金超導(dǎo)線制成的螺線管，估計超

31、導(dǎo)電流衰制成的螺線管，估計超導(dǎo)電流衰減時間大于減時間大于1010萬年；超導(dǎo)體室溫萬年；超導(dǎo)體室溫放入磁場中，冷卻到低溫進入超放入磁場中，冷卻到低溫進入超導(dǎo)態(tài)，移開原磁場，感生電流沒導(dǎo)態(tài)，移開原磁場，感生電流沒有電阻長久存在；有電阻長久存在； 2 2、完全抗磁性、完全抗磁性 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng) 磁感應(yīng)強度為磁感應(yīng)強度為0 0，屏蔽磁場和排除磁通，磁場穿，屏蔽磁場和排除磁通，磁場穿透深度只有幾十透深度只有幾十nmnm。第33頁/共61頁第三十四頁，共62頁。35 超導(dǎo)超導(dǎo)(cho do)的性能指標的性能指標超導(dǎo)體的三個性能指標超導(dǎo)體的三個性能指標1 1、臨界轉(zhuǎn)變溫度、臨界轉(zhuǎn)變溫度TcTc 越高越

32、好，有利于應(yīng)用；目前金屬間氧化物轉(zhuǎn)變溫越高越好，有利于應(yīng)用；目前金屬間氧化物轉(zhuǎn)變溫度最高的度最高的140K140K左右，金屬間化合物最高的左右，金屬間化合物最高的Nb3GeNb3Ge為為23.3K23.3K；2 2、臨界磁場、臨界磁場HcHc Tc Tc以下以下(yxi)(yxi)將磁場作用于超導(dǎo)體，當磁場強度將磁場作用于超導(dǎo)體，當磁場強度大于大于HcHc時，磁力線穿入超導(dǎo)體，即磁場破壞了超導(dǎo)態(tài)；時，磁力線穿入超導(dǎo)體，即磁場破壞了超導(dǎo)態(tài)；3 3、臨界電流密度、臨界電流密度 材料保持超導(dǎo)態(tài)的最大臨界電流密度材料保持超導(dǎo)態(tài)的最大臨界電流密度第34頁/共61頁第三十五頁，共62頁。36 一些金屬低溫

33、超導(dǎo)的臨界(ln ji)溫度和臨界(ln ji)磁場材料臨界溫度Tc(K)臨界磁場Hc(奧斯特)發(fā)現(xiàn)年代鎢(W)0.01299鋁(Al)1.174293銦(In)3.416412汞(Hg)4.158031911鉛(Pb)7.219501913鈮(Nb)9.261930釩三硅(V3Si)17.024,5001953鈮三錫(Nb3Sn)18.11954鈮鋁鍺(Nb3Al0.75Ge0.35)21.0420,0001967鈮三鍺(Nb3Ge)23.21973第35頁/共61頁第三十六頁，共62頁。37 超導(dǎo)超導(dǎo)(cho do)的理論模型的理論模型1 1、庫柏電子對、庫柏電子對(BCS)(BCS) 電

34、子電子聲子相互作用所產(chǎn)生電子對聲子相互作用所產(chǎn)生電子對 雜質(zhì)原子和缺陷對電子對不能進行有效的散射雜質(zhì)原子和缺陷對電子對不能進行有效的散射 并且預(yù)言在金屬和金屬間化合物中的超導(dǎo)體的并且預(yù)言在金屬和金屬間化合物中的超導(dǎo)體的TcTc不超過不超過30 K30 K2 2、高溫超導(dǎo)體模型、高溫超導(dǎo)體模型液氮溫度液氮溫度(wnd)(wnd)以上，如以上，如Y Y系系123123相相(YBa2Cu3O7)(YBa2Cu3O7)、BiBi系的系的2212(Bi2Sr2CaCu2O,Tc=80K)2212(Bi2Sr2CaCu2O,Tc=80K)、2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O)2223(Bi2Sr2Ca2

35、Cu3O)，目前尚無統(tǒng)一的模型解釋其超導(dǎo)機理；，目前尚無統(tǒng)一的模型解釋其超導(dǎo)機理；第36頁/共61頁第三十七頁，共62頁。38 1986年，日本田中昭二小組得到了LaBaCuO在30K以上的抗磁轉(zhuǎn)變和23K以上的零電阻轉(zhuǎn)變。由此引發(fā)了世界性的“高溫超導(dǎo)熱”。1987年美國朱經(jīng)武等用稀土元素Y代替Ba，獲得YBaCuO陶瓷的起始(q sh)轉(zhuǎn)化溫度為100K，我國中科院趙忠賢小組也同時獨立發(fā)現(xiàn)了YBaCuO的超導(dǎo)性。 結(jié)構(gòu)基本特征是兩個CuO2平面中間有一層Y原子面，上下是BaO原子面，上下底是含CuO鏈的平面。Y、Ba占據(jù)A位置，Cu占據(jù)B位置，故也稱類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。 高溫超導(dǎo)材料的研究高溫超導(dǎo)

36、材料的研究(ynji)現(xiàn)狀現(xiàn)狀第37頁/共61頁第三十八頁，共62頁。39 LaOFeAs是一種由絕緣的氧化鑭層（LaO）和金屬導(dǎo)電的砷鐵（FeAs）層交錯層疊而成、具有結(jié)晶構(gòu)造的層狀化合物。氟離子的置換量超過(chogu)3后即會顯現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)，在11左右得到了32K的最高臨界溫度。 2008年3月29日，趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)摻氟鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達52K，4月初，該小組又發(fā)現(xiàn)在壓力環(huán)境下合成的無氟缺氧釤氧鐵砷化合物，其超導(dǎo)臨界溫度可進一步提升至55K。第38頁/共61頁第三十九頁，共62頁。40 “十五”期間，北京(bi jn)英納建成年產(chǎn)能力300公里Bi系高溫超導(dǎo)線材生

37、產(chǎn)線。提供了大批量高質(zhì)量的Bi高溫超導(dǎo)線材約60公里，另免費供線15公里第39頁/共61頁第四十頁，共62頁。41 2004年底，應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室與甘肅長通電纜公司等合作，研制成功75m、10.5kV/1.5kA三相交流(jioli)高溫超導(dǎo)輸電電纜，并投入實際運行。 第40頁/共61頁第四十一頁，共62頁。42 在新型(xnxng)鐵基材料La(O1-xFx)FeAs方面，應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室采用傳統(tǒng)的粉末裝管方法，首次成功研制出轉(zhuǎn)變溫度達25K的鐵基鑭氧鐵砷 （La(O1-xFx)FeAs）線材。這是世界上第一個將鐵基新超導(dǎo)材料加工成超導(dǎo)線材的工作，對于強電應(yīng)用具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)

38、用超導(dǎo)重點實驗室與物理所合作又制備出轉(zhuǎn)變溫度高達52K 的釤氧鐵砷（Sm(O1-xFx)FeAs）線材，其上臨界場Hc2（T=0）高達120 T，進一步顯示出鐵基新超導(dǎo)材料在高場磁體中具有廣闊的應(yīng)用前景。 第41頁/共61頁第四十二頁，共62頁。439.3 介質(zhì)(jizh)極化與介電損耗 介質(zhì)介質(zhì)(jizh)極化極化一、極化一、極化(j hu)概念概念 極化極化： 介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷現(xiàn)象現(xiàn)象電介質(zhì)電介質(zhì)(dielectric)：電場下能極化的材料：電場下能極化的材料電介質(zhì)分類電介質(zhì)分類 1）非極性介質(zhì)）非極性介質(zhì) 無外電場作用時正負電荷中心重合無外電場作用

39、時正負電荷中心重合, 外電場外電場越強，粒子的電偶極矩越強，粒子的電偶極矩qu越大越大 2）極性介質(zhì)）極性介質(zhì) 分子存在固有電偶極矩分子存在固有電偶極矩 電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向 外電場越強，電極化的程度越高外電場越強，電極化的程度越高圖圖9-6 電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化示意圖示意圖圖圖9-7 電偶極子電偶極子qu第42頁/共61頁第四十三頁，共62頁。443) 介質(zhì)極化率 單位電場強度下，介質(zhì)粒子(lz)的電偶極矩的大小，表征材料的極化能力(Fm2) 只與材料的性質(zhì)有關(guān)，是微觀極化參數(shù)4) 介質(zhì)極化強度P 電介質(zhì)材料在電場作用下的極化程度(chngd)，單位體積中的感生電偶極

40、矩對于線性極化 locE0nVPloclocEnnPE00n0單位(dnwi)體積中的偶極子數(shù)； 偶極子平均電偶極矩第43頁/共61頁第四十四頁，共62頁。45 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(wnd)無關(guān) 10-12-10-13s二、極化基本二、極化基本(jbn)形式形式0彈性偶極子固有頻率；振動頻率；e電子電量，q離子電量，m電子質(zhì)量，M離子質(zhì)量；)1(2202mee)1(2202Mqi第44頁/共61頁第四十五頁，共62頁。462. 松弛極化松弛極化 與粒子的熱運動有關(guān)，是不可逆過程；與粒子的熱運動有關(guān)，是不可逆過程；1）電子松弛極

41、化）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(jinl)的時間的時間 10-2-10-9s；2）離子松弛極化）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；弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的，僅作有限距離的遷移； 3. 轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化 主要發(fā)生在極性介質(zhì)中，偶極子在外電場中轉(zhuǎn)向，趨于一致；建立時間主要發(fā)生在極性介質(zhì)中，偶極子在外電場中轉(zhuǎn)向，趨于一致；建立時間(shjin)較長較長10-2-10-10s，轉(zhuǎn)向極化率比電子極化率高得多；，轉(zhuǎn)向極化率比電子極化率高得多；第45頁/共61頁第四十六頁

42、，共62頁。47三、介電常數(shù)三、介電常數(shù)(ji din chn sh)1 介電常數(shù)(ji din chn sh)的概念 平板電容間有電介質(zhì)時電容增加倍數(shù)；是反映電介質(zhì)極化行為的一個主要宏觀物理量；2 恒定電場介電常數(shù)(ji din chn sh) 1）電位移 方向從自由正電荷指向自由負電荷，極板間充以電介質(zhì)后，電介質(zhì)的極化作用，電位移加上極化強度P，EPPEDED0000真空介電常數(shù)，SI單位制中08.8510-2，高斯制中為1；是電介質(zhì)宏觀(hnggun)極化率，E為宏觀(hnggun)平均電場無介質(zhì)下有電介質(zhì)下第46頁/共61頁第四十七頁，共62頁。482）介電常數(shù) 相對(xingdu)介

43、電常數(shù) 極化宏觀參數(shù) 極化微觀參數(shù) EDEEEDrr000000/1)1 ()1 (EEnEnEEPlocrlocr000001)1( 和人分別為電介質(zhì)的介電常數(shù)、相對介電常數(shù)；上式表明與極化有關(guān)(yugun)的宏觀參數(shù)(,r, E)和微觀參量(, n0, Eloc)之間的關(guān)系；第47頁/共61頁第四十八頁，共62頁。493 交變電場(jio bin din chn)介電常數(shù) 復(fù)數(shù)矢量，矢量D和P滯后于矢量 E，介電常數(shù)變成復(fù)數(shù)，若D滯后E一個相位角，損耗角，則 ieEDEDEDeDDeEEsiwtiti)cos(cos*00)(00電解質(zhì)平板電容的總電流：理想電容器充電電流、電解質(zhì)極化電流、

44、電解質(zhì)漏電流，超前電壓90-，實部對應(yīng)電容充放電過程電流iCU，虛部對應(yīng)能力損耗(snho)部分”CU 第48頁/共61頁第四十九頁，共62頁。50材料材料r r材料材料r r石蠟2.0-2.5LiF晶體9.27聚乙烯2.26云母晶體 5.4-6.2聚氯乙烯4.45TiO2晶體86-170天然橡膠2.6-2.9TiO2陶瓷80-110酚醛樹脂5.1-8.6CaTiO3陶瓷 130-150石英晶體4.27-4.34BaTiO3晶體 1600-4500氧化鋁陶瓷 9.5-11.2BaTiO3陶瓷 1700NaCl晶體6.12常用材料(cilio)的相對介電常數(shù)第49頁/共61頁第五十頁，共62頁。

45、514 影響介電常數(shù)的因素1) 極化類型的影響2) 溫度的影響 a 介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系 b 介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系介電常數(shù)很大的材料其溫度系數(shù)TK為負值介電常數(shù)較小的材料其TK為正值頻率的影響 電子極化發(fā)生在任何頻率；紫外光范圍只有電子位移極化，紅外光范圍，離子(原子(yunz)極化；頻率降低，各種極化有；第50頁/共61頁第五十一頁，共62頁。521 介質(zhì)損耗的基本概念介質(zhì)損耗的基本概念 電介質(zhì)在電場的作用下電能轉(zhuǎn)變熱能，單位時間內(nèi)因發(fā)熱損電介質(zhì)在電場的作用下電能轉(zhuǎn)變熱能，單位時間內(nèi)因發(fā)熱損耗能量；耗能量； 介質(zhì)損耗越小越好，不但耗能，而且影響元器件正常工作介質(zhì)損耗越小越好，不但耗

46、能，而且影響元器件正常工作 1 電導(dǎo)電導(dǎo)(或漏導(dǎo)或漏導(dǎo))損耗損耗 存在漏電流，弱聯(lián)系帶電粒子存在漏電流，弱聯(lián)系帶電粒子(或空位或空位)引起引起 2 極化損耗極化損耗松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較(bjio)大；造成損耗原因：電大；造成損耗原因：電矩滯后于外加電場引起矩滯后于外加電場引起 介質(zhì)介質(zhì)(jizh)損耗損耗一、介質(zhì)一、介質(zhì)(jizh)損耗概念損耗概念二、介質(zhì)損耗分類二、介質(zhì)損耗分類第51頁/共61頁第五十二頁，共62頁。53a 低頻率不產(chǎn)生極化(j hu)損耗b 高頻率產(chǎn)生極化(j hu)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

47、承受平均值要大 ；應(yīng)盡量減少介質(zhì)中的氣孔4 結(jié)構(gòu)損耗 與溫度關(guān)系不大，隨頻率升高而增大5 宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗 工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì) 第52頁/共61頁第五十三頁，共62頁。541 1 對漏導(dǎo)（電導(dǎo)對漏導(dǎo)（電導(dǎo)(din do)(din do)）損耗的）損耗的影響影響介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗 溫度的升高，介質(zhì)的電導(dǎo)溫度的升高，介質(zhì)的電導(dǎo)(din do)(din do)率增大率增大與頻率無關(guān)與頻率無關(guān)2 2 對極化損耗的影響對極化損耗的影響 快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗頻率頻率(pnl)(pnl)很低時介質(zhì)損耗為零很低時介質(zhì)損耗為零損耗隨著頻率損耗隨著頻率(p

48、nl)(pnl)的增大而增大的增大而增大 頻率頻率(pnl)(pnl)很高時僅由起始電導(dǎo)率決定很高時僅由起始電導(dǎo)率決定損耗損耗 三、介質(zhì)損耗三、介質(zhì)損耗(snho)影響因素影響因素第53頁/共61頁第五十四頁，共62頁。55 3 3 溫度影響溫度影響(yngxing)(yngxing) 溫度對損耗的影響溫度對損耗的影響(yngxing)(yngxing)是由溫度對是由溫度對和和g g的影響的影響(yngxing)(yngxing)來決定來決定 溫度溫度(wnd)(wnd)升高，使松弛極化容易發(fā)生升高，使松弛極化容易發(fā)生 溫度溫度(wnd)(wnd)很低時，很小損耗很低時，很小損耗 損耗隨著溫度損耗隨著溫度(wnd)(wnd)升高而增大升高而增大 損耗隨溫度損耗隨溫度(wnd)(wnd)的升高出現(xiàn)一極大值的升高出現(xiàn)一極大值 電導(dǎo)損耗往往與松弛極化損耗同時存在電導(dǎo)損耗往往與松弛極化損耗同時存在 第54頁/共61頁第五十五頁，共62頁。561 介電強度介電強度 承受的最大電場強度承受的最大電場強度2 固體介質(zhì)的擊穿是不可