第十章-材料的电学性能

第十章材料的电学性能

导电性能介电性能

第一节导电性能第二节热电性能第三节半导体导电性的敏感效应第四节介质极化与介电性能第五节电介质的介质损耗第六节绝缘材料的抗电强度一、电阻与导电的基本概念导电：在材料两端施加电压时，有电流流过的现象。欧姆定律：I=V/R电阻R：与材料的性质、尺寸有关。电阻率ρ：表示单位长度和单位面积上导电体的电阻值；只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关；是评定导电性的基本参数；单位：Ω·m。10.1导电性能一、电阻与导电的基本概念电阻率愈小，电导率愈大，材料导电性能越好。

绝缘体，ρ＞1010

Ω·m材料分类半导体，ρ=10-2~1010

Ω·m(根据导电性好坏)导体，ρ＜10-2

Ω·m

不同材料的导电能力相差很大，这决定于结构与导电本质。电导率σ：

(1)经典电子理论

金属晶体中，自由电子定向运动时，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这是产生电阻的原因。(2)量子自由电子理论金属中每个原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。二、导电机理能带理论能很好地解释金属、绝缘体、半导体等的导电性。金属中的价电子是公有化和能量是量子化，且金属中由离子造成的势场是呈周期变化的。(3)能带理论

电子在周期势场中运动时，能量随位置呈周期变化，使得价电子在金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的，如能隙AB和CD。周期势场中电子运动的E-K曲线及能带E:自由电子的动能；K：波数频率，K=2π/λ(3)能带理论①当-K1<K<K1时，E-K曲线按抛物线规律连续变化。②当K=±K1时，只要K稍微增大，E便从A跳到B，在A和B之间存在一个能隙ΔE1③同样，当K=±K2时，能带也发生分裂，存在能隙ΔE2。

禁带：能隙的存在意味着禁止电子具有A和B与C和D之间的能量，能隙所对应的能带。允带：电子可以具有的能级所组成的能带。允带与禁带相互交替，形成了材料的能带结构。(3)能带理论空能级指允带中未被电子填满的能级。导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。满带：一个允带所有的能级都被电子填满的能带。(3)能带理论

导体：允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，图a、b、c；在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级而产生电流；具有这种能带结构的材料称为导体。所有金属都属于导体。

绝缘体：一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，图d，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能产生电流。

半导体：半导体的能带结构与绝缘体相同，但其禁带较窄，图e；在热、光辐射等作用下，满带中的电子就有能量可能跃迁到空带中去。这样，在空带中出现导电电子，在满带中出现电子空穴。

本征导电：空带中的电子导电和满带中的空穴导电同时存在的导电方式。

本征半导体：具有本征导电特性的半导体。

n型半导体：载流子是空带中的电子，

p型半导体：载流子是满带中的空穴。

超导性：一定温度条件下材料突然失去电阻的现象。

超导态：材料没有电阻的状态。

正常态：材料有电阻的状态。由于没有电阻，超导体是等电位体，其内部没有电场。

临界温度Tc：材料由正常态转变为超导态的温度。三、超导电性①完全导电性：将应力外磁场突然去掉，通过磁感应作用产生永不衰减的感生电流(永久电流)。

②完全抗磁性：超导状态的金属，内部B始终为零。不仅外加磁场不能进入超导体的内部，而且原来处于磁场中的正常态样品，当温度下降使其变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去。超导体具有屏蔽磁场和排除磁通的性能。超导电性的两个基本特征：①临界转变温度Tc：超导体温度<Tc时，便出现完全导电和完全抗磁性，Tc越高，越有利于应用。②临界磁场Hc

：T＜Tc时，将超导体放入磁场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超导体被破坏而成为正常态。Hc是破坏超导态的最小磁场。超导电性的三个重要性能指标：③临界电流密度Jc

：如果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。H增加，Jc

必须相应地减小，以使磁场总和不超过Hc

而保持超导态。

Jc

是材料保持超导态的最大输入电流密度。超导电性的三个重要性能指标：①临界转变温度Tc

②临界磁场Hc

③临界电流密度Jc超导电性的三个重要性能指标：1、掌握铁磁性的本质，铁磁体的两大特征，磁畴结构的大小，磁化曲线和磁滞回线，铁磁材料的性能指标。2、利用能带结构分析材料的导电性差异。3、熟悉超导体的概念，掌握超导体的两个特征和三个性能指标。上节回顾温度冷塑性变形和应力化学成分……四、影响材料导电性的因素金属电阻率随温度升高而增大。①>ΘD，纯金属ρt与T关系：α：电阻温度系数；ρ0：标准态(20℃)的电阻率；ΔT：环境与标准态的温差。②2K＜T＜ΘD，ρ∝T5；③T＜2K，ρ∝T2；

1、温度的影响

(1)冷塑性变形使金属电阻率增大:①冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷(尤其是空位)增加，造成点阵电场的不均匀，加剧对电磁波的散射；②冷塑性变形改变原子间距；

(2)回复再结晶可使电阻率显著恢复：①回复处理可显著降低点缺陷浓度，使ρ明显恢复；②再结晶退火可消除形变时的点阵畸变和晶体缺陷，使ρ恢复到冷变形前的水平。2、冷塑性变形和应力的影响

(1)冷塑性变形使金属电阻率增大:

(2)回复再结晶可使电阻率显著恢复：

(3)淬火保留了高温时的点缺陷，使ρ升高。

(4)拉应力使原子间距增大，ρ上升；压应力则相反。2、冷塑性变形和应力的影响(1)固溶体导电性①一般地，尽管ρ溶质<ρ溶剂时，形成固溶体合金的ρ增高：

a、溶入溶质原子→引起点阵畸变→电阻增大；

b、组元间化学相互作用→有效电子数减少→ρ增加。3、合金化对导电性的影响

纯金属的导电性：与其在元素周期表中的位置有关，由其能带结构决定。

合金的导电性较复杂：当金属元素形成合金后，其异类原子引起点阵畸变，组元间相互作用引起有效电子数、能带结构、合金组织结构等的变化。3、合金化对导电性的影响溶质浓度较小时，固溶体ρs的变化规律符合马基申定律：ρs1：溶剂电阻率；ρs2：溶质引起的电阻率；ρs2=γcξ，rc：溶质的量比，ξ：1%溶质量比的附加电阻率。

固溶体电阻由两部分组成：

①溶剂电阻(即纯金属电阻)，随T增大；

②溶质引起的附加电阻，与T无关，只与溶质浓度有关。(1)固溶体导电性②固溶体有序化，有利于改善离子电场的规整性，↓电子散射，电阻↓。③不均匀固溶体，即溶质原子产生偏聚，电子散射↑，电阻↑。④T不变时，冷变形使ρs增大的幅度大于纯金属的情况。(1)固溶体导电性金属化合物的导电能力都较差，其电导率比各组元的要小得多：组成化合物后，原子间的部分金属键转变为共价键或离子键，使导电电子数减少。由于键合性质的改变，金属因形成金属间化合物而变成半导体，甚至完全失去导电性。(2)金属化合物的导电性

多组相合金的导电性，既与组成相的导电性及相对量有关，还与组成相的形貌有关，即与合金的组织形态有关。

(3)多相合金的电阻率

ρ是一个组织结构敏感的物理量，多相合金ρ很难定量计算。

退火态的二元合金组织为两相机械混合物时，若组成相的ρ接近，则电导率与两组元的体积分数呈线性关系。常近似认为多相合金的电阻率为各相电阻率的加权平均。(3)多相合金的电阻率10.1导电性能①固溶体的电阻率随成分呈曲线增加；②两相混合物的电阻率随成分呈线性增加(大约是两相电阻率的加权平均值)；③除有序固溶体外，合金化均使金属的电阻率增加。电阻率是对成分、组织、结构极为敏感的物理参量，能灵敏反映材料内部的微弱变化。

电阻分析：通过测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化。2、电阻分析的应用由于很容易对材料的许多物理过程进行ρ的跟踪测量，电阻分析法在材料科学研究中得到广泛应用，如①研究过饱和固溶体的脱溶和溶质元素的回溶、②测定固溶体的溶解度曲线、③研究合金的时效、④研究合金的不均匀固溶体的形成、⑤研究合金有序-无序转变等。总之，凡是转变前后或转变过程中有电阻变化的现象，都可利用电阻分析法进行研究。2、电阻分析的应用原理：①固溶体的电阻率随溶质原子呈曲线增加；②两相混合物的电阻率大约是两相电阻率的加权平均值；③淬火可以保留高温时的固溶度。

(1)测量固溶体的溶解度曲线步骤：①制成一组不同成分的试样，在t1温度加热保温，使组织成分均匀，再淬火，以保留其在t1时的组织。②分别测定上述试样的电阻，算出ρ，作出温度t1下加热淬火的ρ-w曲线，即电阻率与成分的关系。③在t2、t3等一系列温度下加热淬火，用同样方法得到相应的ρ-w曲线。④每条曲线都有一个转折点a1，…，每点对应一个成分B1,…，将这些点在成分-温度图上连接，就得到溶解度曲线。

(1)测量固溶体的溶解度曲线形状记亿合金是一种新型功能材料，其记忆原理与热弹性M可逆转变有关。形状记忆合金的重要参数：①马氏体向母相转变的As和Af；②母相向马氏体转变的Ms及Mf。根据母相与马氏体的电阻不同，将形状记忆合金试样连续加热和冷却，测量其R-T曲线，得出转变温度。(2)测定形状记忆合金中的相变温度将形状记忆合金试样连续加热和冷却，测量其R-T曲线。①从室温加热，马氏体试样R基本随T线性增大；

达到As

时马氏体开始向母相转变，电阻向下偏离直线变化，

T继续↑，转变量↑，R继续↓；

完全转变为母相时R随T线性增加，这就是Af

点。②冷却时与加热时相反，R先随T线性下降；母相向马氏体转变时上升，转变终了时继续下降，由此得Ms

及Mf

点。(2)测定形状记忆合金中的相变温度1、电阻测量方法(1)双电桥法

双电桥法是测量小电阻的常用方法，测量精度较高。(2)电位差计法测量小电阻有很高的精度。(3)安培-伏特计法(4)直流四端电极法五、导电性的测量及应用10.2热电性能

金属与合金的热电势是一个组织结构敏感的物理量。通过热电势分析，可以研究金属与合金的成分及组织变化规律。

赛贝克效应(热电第一效应)金属的热电效应珀尔贴效应(热电第二效应)

汤姆逊效应(热电第三效应)

金属不同，其自由电子的能量状态也不同。

接触电势：某温度下，当金属A与金属B相接触时，若A的电子能量高，则电子从A流向B，使A的电子减少、电位变正，B的电子增加、电位变负，从而在A与B间产生一个静电势VAB。此静电势通常称为接触电势。1、珀尔帖效应帕尔帖效应：由于接触电势的存在，若沿AB方向通电流，则接触点处要吸收热量；若反向通电，则接触点放热；这种现象称为珀尔贴效应。

帕尔帖热：吸收或放出的热量Qp。PAB为帕尔帖系数或帕尔帖电势，与金属的本性和温度有关。Qp可由实验测定。1、珀尔帖效应沿AB方向通电流，则接触点处要吸收热量，这是由于：接触点处，电子从A流向B；沿AB通电，则电子从B流向A；接触点处由A流向B的电子受阻，电子减速；减速的电子又与金属原子碰撞，从金属原子取得动能，从而使该处温度降低，需从外界吸收热量。

汤姆逊效应：当一根金属导线两端温度不同时，若通以电流，则在导线中除产生焦耳热外，还要产生额外的吸放热现象。电流方向与导线中热流方向一致时产生放热效应，反之则产生吸热效应。吸收或放出的热量称为汤姆逊热QT，可由实验测定。S为汤姆逊系数，I为电流，t为通电时间，ΔT为导线两端温差。2、汤姆逊效应当两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接点处温度不同，则回路中将产生电流的现象。3、赛贝克效应赛贝克效应的实质在于接触电势的产生：两种金属接触时会产生接触电势VAB，其电势差大小取决于金属的电子逸出功V和电子浓度N。T1＞T23、赛贝克效应热电势：当此两金属头尾相接时，若两接触点温度不同，则两接触点的接触电位也不同，从而在回路中产生热电势εAB：T1＞T23、赛贝克效应热电势方向：规定在热端，若电流由A流向B，则B正A负。T1＞T23、赛贝克效应1、温度的测量由赛贝克效应，热电势与两接点的温差成正比。如果保持冷端温度T2不变，则热电势与热端温度T1成正比。实际上，热电势还受其他因素影响，常用经验公式为T为热端的温度(冷端为0℃)，a、b、c为材料参数。二、热电效应的应用中间金属定律：如果在两根不同的金属丝之间串联另一种金属，只要串联金属两端的温度相同，则回路中产生的总热电势只与原有的两种金属的性质有关，而与串联入的中间金属无关。1、温度的测量利用赛贝克效应和中间金属定律，可制成热电偶来测量温度。

热电偶工作原理：将两种不同金属的一端焊在一起，作为热端，放入待测温度的环境中；而将另一端分开，并保持恒温(通常为室温)，并分别串接补偿导线(第三金属或中间金属)，再接入电位差计，测量热电势，反过来计算(查表)热端温度。1、温度的测量热电偶中间金属定律：均质导体定律：热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。中间温度定律：热电偶回路两接点(温度为T、T0)间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度。热电偶基本定律热电偶种类很多，已研制的组合约300种，标准化的15种，广泛应用的有8种，最常见：铂铑-铂(1700℃)、镍铬-镍硅(灵敏度高、电势与温度成正比)、铜-康铜(15K~室温范围内有高的灵敏度)、金钴合金-铜(低于4K)、金铁合金-镍铬等(低于4K)。1、温度的测量利用热电材料制备的“热-电”转换装置，通过材料内部的载流子运输，实现“热能”和“电能”的直接相互转换，可用于温差发电(赛贝克效应)及电制冷(珀尔贴效应)。2、热-电转换1、金属本性：电子逸出功、自由电子密度

2、温度

3、合金化：固溶体(悬链式)、金属化合物(突变或显著增加)、多相合金(加权平均)

4、钢中含碳量及其组织状态纯铁与钢组成热电偶时，其热电势铁为正、钢为负；钢中的含碳量越高热电势越负，铁与钢组成的热电偶的热电势就越大。含碳量相同时，淬火态比退火态的热电势要高。三、影响热电势的因素材料的热电势除可作为测温用的热电偶外，还可用以材料科学研究。①马氏体的回火转变(P194)、②合金的时效、③加工硬化奥氏体的转变、④不同牌号钢材的鉴别等。四、热电势的测量与应用

10.3半导体导电性的敏感效应

半导体的能带结构(图e)与绝缘体的(图d)相同，但其禁带较窄(约1eV)；半导体在外界作用下如热、光辐射等，满带中的电子就有能量，可能跃迁到空带中去。这样，在空带中出现电子导电，在满带中出现空穴导电。半导体的导电性受环境影响很大，产生了一些半导体敏感效应：热敏效应、光敏效应、压敏效应、磁敏效应、气敏效应、光磁效应、热磁效应、热电效应等

半导体的导电，主要由电子和空穴产生的。T↑，自由电子数和空穴数↑，电导率↑、电阻率↓。

B为材料的电导活化能，与材料有关。某些材料的B值很大，在感受微弱温度变化时的电阻率变化十分明显。具有热敏特性的半导体可制成各种热敏温度计、电路温度补偿器、无触点开关、热敏电阻等。一、热敏效应

光电导：光的照射使某些半导体的电阻率↓↓的现象。

机理：具有一定能量的光子照射到半导体时，半导体接收光子能量，受到激发，半导体材料产生大量的自由电子和空穴，促使电阻率急剧下降。

条件：光子的能量必须大于半导体禁带宽度。

用途：光敏电阻器，广泛应用于各种自动控制系统，如光敏电阻可实现照明自动化等。二、光敏效应

1、电压敏感效应

某些半导体材料对电压的变化很敏感，如半导体氧化锌陶瓷，通过它的电流和电压不是线性关系，即电阻随电压改变。用具有压敏特征的材料可制成压敏电阻，可用于过电压吸收、高压稳压、避雷器等。2、压力敏感效应

由于压力作用使电阻率发生改变的现象。

三、压敏效应(电压敏感效应和压力敏感效应)1、霍尔效应将通有电流的半导体放在均匀磁场中，设电场沿x方向，电场强度Ex；磁场与电场垂直，沿z方向，磁场感应强度为Bz，则在电场和磁场平面的法线方向y将产生一个横向电场Ey，这个现象称为霍尔效应。霍尔电场Ey与电流密度Jx和Bz成正比。

根据霍尔效应制成的霍尔器件在测量技术、自动化技术及信息处理等方面得到广泛应用。

四、磁敏效应（霍尔效应和磁阻效应）

半导体中，在垂直于电流的方向施加磁场，使电流密度降低，即由于磁场的存在使半导体的电阻增大的现象称为磁阻效应。通常用电阻率的相对变化来表示磁阻。2、磁阻效应10.4介质极化与介电性能一、极化的基本概念二、极化的基本形式三、介电常数极化现象：在真空平行板电容器的电极板间嵌入介质并在电极之间加以外电场时，则会在介质表面感应出电荷，即正极板附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应电荷不会跑到对面极板上形成电流，因此称它们为束缚电荷。电介质极化示意图一、极化的基本概念

介质的极化：介质在电场作用下产生感应电荷的现象。这类材料称为电介质，可分为极性介质和非极性介质。电介质极化示意图一、极化的基本概念

没有电场时，其正负电荷中心重合，对外不显示极性。电偶极子：当外电场作用时，粒子的正电荷沿着电场方向移动，负电荷逆着电场方向移动，形成电偶极子。正电荷和负电荷的电量大小相等。电偶极矩：正电荷与负电荷的位移矢量为u，则此偶极子的电偶极矩μ=qu，并规定其方向从负电荷指向正电荷。外电场越强，电偶极矩越大。电介质极化示意图电偶极子1、非极性介质

没有电场时，由于分子的热运动，电偶极矩的排列是无序的，整个介质呈电中性，对外也不显示极性。施加外电场时，电偶极矩有转向外电场方向的趋势。

外电场越强，分子偶极子的排列越整齐，电介质表面的束缚电荷也越多，电极化的程度越高。极性和非极性介质在外电场取消后，束缚电荷随之消失。2、极性介质：每个分子存在固有电偶极矩

(1)极化率α

单位电场强度下，介质粒子的电偶极矩的大小。

α=μ/ElocEloc为作用在粒子上的局部电场。α表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，单位F·m2。

(2)极化强度矢量P

电介质在电场作用下的极化程度。

P表征单位体积中介质的感生电偶极矩，简称电矩。介质极化的主要性能指标：介质的极化由电子极化、离子极化和偶极子转向极化组成的。极化的基本形式：①位移式极化：弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量，是一种自发过程，有电子位移极化和离子位移极化。

②松弛极化：与粒子的热运动有关，属于非弹性极化，需要一定的时间，要消耗能量，是不可逆过程，有电子松弛极化和离子松弛极化。

偶极子转向极化：在极性分子介质中，是一个可逆过程。二、极化的基本形式

介电常数ε：表示电容器(两极板间)在有电介质时的电容与在真空状态(无电介质)时的电容相比较时的增长倍数。是综合反映电介质极化行为的一个主要宏观物理量。三、介电常数

①松弛极化：T↑、ε↑；②位移极化和转向极化：T↑、ε↓。③频率④电场强度四、影响介电常数的因素

10.5电介质的介质损耗

任何电介质在电场作用下，总是或多或少地把部分电能转成热能使介质发热。

介质损耗：电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的耗损功率，简称介质损耗。10.5电介质的介质损耗介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。电介质在电工或电子工业上的重要职能是直流绝缘和贮存能量，所以介质损耗不但消耗了能量，而且由于温度上升可能影响元器件的正常工作。

介质损耗越小越好。10.5电介质的介质损耗

介质的损耗形式：电导(漏导)损耗、极化损耗、电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀的介质损耗。

影响材料介电损耗的因素：①材料结构本身的影响：电导损耗、极化损耗②外界环境或试验条件的影响：频率和温度10.6绝缘材料的抗电强度一、强电场作用下绝缘材料的破坏电介质的击穿：在强电场中工作的绝缘材料，当所受的电压超过一临界值V穿时便丧失了绝缘性能而击穿(永久破坏)的现象。V穿称为击穿电压。

抗电强度(或介电强度)：材料所能承受的最大电场强度，其数值等于相应的击穿场强E穿。

E穿=V穿/d

d为击穿处试样的厚度。10.6绝缘材料的抗电强度

固体介质的击穿同时伴随着材料的永久破坏，是不可逆过程；

而气体及液体介质被击穿后，随着外电场的撤消仍然能恢复材料性能，是可逆过程。10.6绝缘材料的抗电强度V穿既与材料本身的性质有关，还与一系列的外界因素有关，如试样形状、温度、压力等。故E穿不仅表示材料的优劣，同时反映材料进行击穿试验的条件。电介质的击穿形式有

电击穿、

热击穿、

化学击穿二、击穿形式电击穿是一个“电过程”，只有电子参与。

强电场作用下，处于热运动的少数“自由电子”将沿反电场方向定向运动，不断撞击介质内的离子，并将部分能量传给离子。

外电场强度足够高时，自由电子定向运动的速度超过一临界值，可使介质内的离子电离出一些新的电子即次级电子。1、电击穿——“雪崩电击”理论自由电子和次级电子又有了一定的速度，又撞击出第三级电子。这样连锁反应，造成大量自由电子形成“电子潮”，这个现象叫“雪崩”。“雪崩”使贯穿介质的电流迅速增长，导致介质的击