电概导电材料学习教案

1、会计学1电概导电电概导电(dodin)材料材料第一页，共55页。典型典型(dinxng)材料的电导率材料的电导率导电类型导电类型材料类型材料类型导电率导电率/ -1m-1离子导电离子导电离子晶体离子晶体10-1610-2快离子导体快离子导体10-1103强（液）电解质强（液）电解质10-1103电子导电电子导电金属金属103107半导体半导体10-3104绝缘体绝缘体10-104.1 4.1 导电材料基本导电材料基本(jbn)(jbn)性质性质第1页/共55页第二页，共55页。 导电材料按导电机理(j l)可分为电子导电材料和离子导电材料 两大类。 电子导电材料包括导体、超导体和半导体。 导体

2、的电导率105 S/m ，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时），半导体的电导率为10-7104 S/m ；当材料的电导率小于10-7S/m时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。 第2页/共55页第三页，共55页。第3页/共55页第四页，共55页。导电导电(dodin)氟橡胶氟橡胶导电导电(dodin)氟胶座氟胶座导电导电(dodin)尼尼龙龙导电导电ABS导电胶带导电胶带第4页/共55页第五页，共55页。2021-12-266经典经典电子电子(dinz)理理论论第5页/共55页第六页，共55页。合金电阻率高温度降低：晶格振动(zhndng)减弱，对电子波的阻碍减小 T0时，出

3、现超导现象 T=0时，合金和有缺陷的金属仍有电阻2021-12-267量子力学量子力学(lin z l xu)观点观点0( )T第6页/共55页第七页，共55页。2021-12-268001()tt第7页/共55页第八页，共55页。导体导体(dot)电阻率公式电阻率公式iT 电阻率公式(gngsh)可写为： i 取 决 于 晶 格 缺 陷 的 多 少(dusho)，缺陷越多， i越大，一般与温度无关；T取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。第8页/共55页第九页，共55页。102021-12-26第9页/共55页第十页，共55页。2021-12-2611第10页/共

4、55页第十一页，共55页。2021-12-2612第11页/共55页第十二页，共55页。2021-12-2613第12页/共55页第十三页，共55页。142021-12-26第13页/共55页第十四页，共55页。2021-12-2615第14页/共55页第十五页，共55页。162021-12-26第15页/共55页第十六页，共55页。有助于设计有助于设计(shj)导体的主要物理性能如下表所示导体的主要物理性能如下表所示 物理性能铜密度8,9电阻率（mWcm）1,7241导电率（%IACS）100电阻温度系数（K-1）0,0039导热系数（W/m.K）400线性膨胀系数（K-1）17x10-6拉

5、应力（退火）（MPa）220 / 290拉应力（硬）（MPa）350/450弹性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）110第16页/共55页第十七页，共55页。2021-12-2618第17页/共55页第十八页，共55页。2021-12-2619第18页/共55页第十九页，共55页。202021-12-26第19页/共55页第二十页，共55页。212021-12-26第20页/共55页第二十一页，共55页。2021-12-2622第21页/共55页第二十二页，共55页。232021-12-26第22页/共55页第二十三页，共55页。2021-12-2624第23页/共55页第二

6、十四页，共55页。对于设计对于设计(shj)导体有用的物理性能如下表所示导体有用的物理性能如下表所示 物理性能物理性能铝铝 密度密度2,7 电阻率电阻率 (mmcm)2,826 导电率导电率 (%IACS)61 电阻温度系数电阻温度系数 (K-1)0,004 导热系数导热系数 (W/m.K)220 线性膨胀系数线性膨胀系数 (K-1)23x10-6 拉应力（退火）拉应力（退火） (MPa)60/80 拉应力（硬）拉应力（硬） (MPa)150/200 弹性模量弹性模量(MPa)66000 硬度（退火）硬度（退火）20 硬度（硬）硬度（硬）40第24页/共55页第二十五页，共55页。2021-1

7、2-2626第25页/共55页第二十六页，共55页。2021-12-2627第26页/共55页第二十七页，共55页。282021-12-26第27页/共55页第二十八页，共55页。2021-12-26294ABfRnF第28页/共55页第二十九页，共55页。302021-12-26第29页/共55页第三十页，共55页。常用触头材料常用触头材料(cilio)分类表分类表类别类别材料品种材料品种强电用强电用 复合触头材料复合触头材料银银-氧化镉，银氧化镉，银-钨，铜钨，铜-钨，银钨，银-铁，铁，银银-镍，铜镍，铜-石墨，银石墨，银-碳化钨碳化钨真空开关触头材料真空开关触头材料铜铋铈，铜铋银，铜碲硒

8、，钨铜铋铈，铜铋银，铜碲硒，钨-铜铋铜铋锆，铜铁镍钴铋锆，铜铁镍钴铋弱电用弱电用 铂族合金铂族合金铂铱，钯银，钯铜，钯铱铂铱，钯银，钯铜，钯铱金基合金金基合金金镍，金银，金锆金镍，金银，金锆银及其合金银及其合金银，银铜银，银铜钨及其合金钨及其合金钨，钨钼钨，钨钼第30页/共55页第三十一页，共55页。2021-12-2632第31页/共55页第三十二页，共55页。试验温度Tc7.23K可以推算出线圈(xinqun)此时的电阻率10-21m与铜的电阻率10-7m相比，超导态下的电阻率实际上等于零。2021-12-2633第32页/共55页第三十三页，共55页。2021-12-2634 某些物质在

9、一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性。某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性。 低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。 从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温度从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温度TcTc。 超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10-26cm10-26cm，可以可以(ky)(ky)认为电阻为零。认为电阻为零。 特性一：完全导电性，超导体进入特性一：完全导电性，超导体进入(jnr)超导态时，其电阻率超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：

10、室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入进入(jnr)超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流持久电流”。 特性二特性二：完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，只有：完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，只有T TTcTc，超导体，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。到体外，这种

11、现象称为迈斯纳效应。第33页/共55页第三十四页，共55页。特性三：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强度以及特性三：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强度以及周围磁场周围磁场(cchng)的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，而成的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，而成为普通的常导状态，电流和磁场为普通的常导状态，电流和磁场(cchng)的这种临界值分别称为临界的这种临界值分别称为临界电流电流Ic和临界磁场和临界磁场(cchng)Hc临界。临界。 临界(ln ji)温度（Tc）、临界(ln ji)磁场（Hc）、临界(ln ji)电流Ic是约束超导现象的三大临界(ln

12、 ji)条件。当温度超过临界(ln ji)温度时，超导态就消失；同时，当超过临界(ln ji)电流或者临界(ln ji)磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界(ln ji)值时，才能发生超导现象。第34页/共55页第三十五页，共55页。2021-12-2636第35页/共55页第三十六页，共55页。37 不论超导体在进入超导态前内部是否有磁场，一旦进入(jnr)超导态后，即使有外磁场，超导态内部都不存在磁场，即磁感应强度2021-12-260B第36页/共55页第三十七页，共55页。2021-12-2638超导体的电流分布超导体的电流分布 集肤

13、性集肤性 不加外磁场不加外磁场(cchng)(cchng)时，流时，流过过超导扁带内的电流密度超导扁带内的电流密度JsJs符合公式：符合公式：第37页/共55页第三十八页，共55页。2021-12-2639第38页/共55页第三十九页，共55页。402021-12-26第39页/共55页第四十页，共55页。2021-12-2641第40页/共55页第四十一页，共55页。2021-12-2642第41页/共55页第四十二页，共55页。432021-12-26库柏电子对形成库柏电子对形成(xngchng)示意图示意图 第42页/共55页第四十三页，共55页。金属金属(jnsh)超导体超导体 目前(

14、mqin)发现具有超导电性的金属元素有30种，其中过渡族元素19种，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非过渡族元素有11种如Pb、Sn、 Al、 Ga等。超导超导(cho do)材料的分类材料的分类第43页/共55页第四十四页，共55页。超导金属超导金属临界温度临界温度Lead (Pb)Lead (Pb)7.196 K7.196 KLanthanum (La)Lanthanum (La)4.88 K4.88 KMercury (Hg)Mercury (Hg)4.15 K4.15 KTin (Sn)Tin (Sn)3.72 K3.72 KAluminum (Al)Aluminum (Al)1.

15、175 K1.175 KMolybdenum (Mo)Molybdenum (Mo)0.915 K0.915 KZinc (Zn)Zinc (Zn)0.85 K0.85 KZirconium (Zr)Zirconium (Zr)0.61 K0.61 KCadmium (Cd)Cadmium (Cd)0.517 K0.517 KTitanium (Ti)Titanium (Ti)0.40 K0.40 KTungsten (W)Tungsten (W)0.0154 K0.0154 KPlatinum (Pt)*Platinum (Pt)*0.0019 K0.0019 KRhodium (Rh)Rh

16、odium (Rh)0.000325 K0.000325 K 超导金属中，铅（超导金属中，铅（PbPb）的临界温度）的临界温度(ln ji wn d)(ln ji wn d)最高最高，达，达7.196K7.196K，（，（RhRh）的临界温度）的临界温度(ln ji wn d)(ln ji wn d)最低，为最低，为0.000325K0.000325K。 超导合金很多，临界温度超导合金很多，临界温度(ln ji wn d)(ln ji wn d)有所有所提高，如提高，如NbTiNbTi二元合金，其临界温度二元合金，其临界温度(ln ji wn (ln ji wn d)d)为为8 810K10K

17、；NbTiZrNbTiZr三元合金，其临界温度三元合金，其临界温度(ln (ln ji wn d)ji wn d)为为10K10K。第44页/共55页第四十五页，共55页。氧化物超导体氧化物超导体氧化物超导氧化物超导(cho do)材料材料第45页/共55页第四十六页，共55页。超导氧化物超导氧化物成成 分分临界温度临界温度HgHg0.80.8TlTl0.20.2BaBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O8.338.33138 K (record-holder)HgBaHgBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O8 8133-135 K133-135 KHgBaCuHgBaCu系系H

18、gBaHgBa2 2CuOCuO4 4+ + 94-98 K94-98 KTlTl2 2BaBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O1010127-128 K127-128 KTlTl0.50.5PbPb0.50.5SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O O9 9118-120 K118-120 KTlBaCaCuTlBaCaCu系系TlTl2 2BaBa2 2CuOCuO6 695 K95 KBiBi1.61.6PbPb0.60.6SrSr2 2CaCa2 2SbSb0.10.1CuCu3 3O Oy y115 K115 K BiBi2 2SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3

19、O O1010*110 K110 KBiSrCaCuBiSrCaCu系系BiBi2 2SrSr2 2CaCa0.80.8Y Y0.20.2CuCu2 2O O8 895-96K95-96KTmBaTmBa2 2CuCu3 3O O7 790-101 K90-101 KYBaYBa2 2CuCu3 3O O7 793 K93 KY YB BaCuaCu系系YbBaYbBa1.61.6SrSr0.40.4CuCu4 4O O8 878 K78 KLaLa2 2BaBa2 2CaCuCaCu5 5O O9+9+79 K79 K(La,Sr,Ca)(La,Sr,Ca)3 3CuCu2 2O O6 65

20、8 K58 KLaLa2 2CaCuCaCu2 2O O6+6+45 K45 K(La(La1.851.85SrSr0.150.15)CuO)CuO4 440 K40 K(La,Ba)(La,Ba)2 2CuOCuO4 435-38 K35-38 KLaBaCuLaBaCu系系(La(La1.851.85BaBa.15.15)CuO)CuO4 430 K(30 K(FirstFirst高温超导陶瓷，高温超导陶瓷，1986)1986) 1986 1986年，年，BednorzBednorz和和MullerMuller发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属于于

21、LaBaCuLaBaCu系，进入超导态的开始系，进入超导态的开始(kish)(kish)温度为温度为30K30K，因为该项工作而获得，因为该项工作而获得了诺贝尔奖。了诺贝尔奖。第46页/共55页第四十七页，共55页。 1987 1987年年2 2月我国科学家赵忠贤等人获得临界温度在月我国科学家赵忠贤等人获得临界温度在93K93K的的YBaCuYBaCu系超导体系超导体，化学计量式为，化学计量式为YBa2Cu3O7YBa2Cu3O7，即所谓的，即所谓的123123材料，通常材料都有氧空位材料，通常材料都有氧空位(kn (kn wi)wi)，因此写成，因此写成YBa2Cu3O7-xYBa2Cu3O7-x。 从结构上看，具有从结构上看，具有(jyu)(jyu)以以下特征：下特征： （1