第十章 材料的电学性能

1、第十章第十章 材料的电学性能材料的电学性能 第一节第一节 导电性能导电性能 第二节第二节 热电性能热电性能 第三节第三节 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能 第五节第五节 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 第六节第六节 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度 第一节第一节 导电性能导电性能一一 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念1 1 导电导电 当在材料的两端施加电压时，材料中当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过有电流流过 欧姆定律欧姆定律2 2 电阻电阻 与材料的性质有关，还与材料的长度与材料的性质有关，还与材料的长度及

2、截面积有关及截面积有关3 3 电阻率电阻率 只与材料本性有关，而与导体的几何只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关尺寸无关 评定导电性的基本参数评定导电性的基本参数4 4 电导率电导率 愈大，材料导电性能就越好愈大，材料导电性能就越好5 5 材料分类材料分类导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体导电能力相差很大，决定于结构与导电本质导电能力相差很大，决定于结构与导电本质第一节第一节 导电性能导电性能二二 导电机理导电机理1 1 金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理(1)(1)经典电子理论经典电子理论 离子构成了晶格点阵离子构成了晶格点阵价电子是完全自由的（自由电子）价电子是完全自由

3、的（自由电子）第一节第一节 导电性能导电性能(2)(2)量子自由电子理论量子自由电子理论 原子的内层电子保持着单个原子时原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态的能量状态 价电子按量子化具有不同的能级价电子按量子化具有不同的能级 遵循经典力学气体分子的运动规律遵循经典力学气体分子的运动规律 自由电子定向运动中，要不断与正自由电子定向运动中，要不断与正离子发生碰撞，是产生电阻的原因离子发生碰撞，是产生电阻的原因 电导率电导率 金属的导电性取决于自由电子的数金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度量、平均自由程和平均运动速度 第一节第一节 导电性能导电性能 电子具有波粒二象性运动

4、为着的电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波电子作为物质波 一价金属中自由电子的动能一价金属中自由电子的动能 E E K K为波数频率，表征自由电子可能为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数具有的能量状态参数 从粒子的观点看，曲线表示自由电从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度子的能量与速度( (或动量或动量) )之间的关系之间的关系 从波动的观点看，曲线表示电子的从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系能量和波数之间的关系 电子的波数越大，则能量越高电子的波数越大，则能量越高 没有加外加电场时自由电子沿正、没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没

5、有电反方向运动着电子数量相同，没有电流产生流产生第一节第一节 导电性能导电性能 在外加电场的作用下，从在外加电场的作用下，从而使正反向运动的电子数而使正反向运动的电子数不等，使金属导电不等，使金属导电 只有处于较高能态的自由只有处于较高能态的自由电子参与导电电子参与导电 缺陷和杂质产生的静态点缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造态点阵畸变，对电磁波造成散射，成散射，形成电阻形成电阻 超导现象超导现象 一价金属比二、三价金属一价金属比二、三价金属导电性较好导电性较好 第一节第一节 导电性能导电性能 (3)(3)能带理论能带理论 能带能带 金属中

6、的价电子是公有化和金属中的价电子是公有化和能量是量子化能量是量子化 金属中由离子所造成的势场金属中由离子所造成的势场不是均匀的不是均匀的 价电子在金属中的运动要受价电子在金属中的运动要受到周期场的作用到周期场的作用 能带发生分裂，即有某些能能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的态是电子不能取值的 禁带禁带 允带允带第一节第一节 导电性能导电性能 能带结构能带结构 空能级空能级 空能级电子是自由的，参与导电空能级电子是自由的，参与导电 导带导带 周期势场的变化幅度越大，禁带越宽周期势场的变化幅度越大，禁带越宽 导体、绝缘体、半导体能带结构特点导体、绝缘体、半导体能带结构特点第一节 导电性能导

7、体导体 允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相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互重叠 在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个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上去而产生电流能级上去而产生电流绝缘体绝缘体 一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，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。能产生电流。半导体半导体 半导体的能带结构与绝缘体相同，

8、不同的是它的禁带半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄比较窄 半导体的能带在外界作用下，价带中的电子就有能量半导体的能带在外界作用下，价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去可能跃迁到导带中去第一节第一节 导电性能导电性能 空穴导电空穴导电 本征导电本征导电 本征半导体本征半导体 本征半导体的电子本征半导体的电子空穴对是由热激活产生的空穴对是由热激活产生的 杂质对半导体的导电性能影响杂质对半导体的导电性能影响 本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为 2 2 无机非金属导电机理无机非金属导电机理 载流子载流子 (1)(1)离子晶体的导

9、电机理离子晶体的导电机理 离子晶体中空位的迁移涉及离子运动离子晶体中空位的迁移涉及离子运动 第一节第一节 导电性能导电性能 晶体的离子电导可以分为两类晶体的离子电导可以分为两类 第一类离子第一类离子固有电导或本征电导固有电导或本征电导 热缺陷热缺陷第二类杂质第二类杂质电导电导杂质的数量和种类杂质的数量和种类 低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定 存在的多种载流子时，材料的总电导率是各种电导率存在的多种载流子时，材料的总电导率是各种电导率的总和的总和 第一节第一节 导电性能导电性能（2 2） 玻璃的导电机理玻璃的导电机理 离子在结构中的可动

10、性所导致离子在结构中的可动性所导致 玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大 3 超导电性超导电性1 1 超导电性的概念超导电性的概念 超导体是等电位的，超导体内没超导体是等电位的，超导体内没有电场有电场2 2 超导体的两个基本特征超导体的两个基本特征 一个基本特性是它的完全导电性一个基本特性是它的完全导电性 永久电流永久电流 冻结磁通冻结磁通 另一基本特性是它的完全抗磁性另一基本特性是它的完全抗磁性迈斯纳效应迈斯纳效应 屏蔽磁场和排除磁通屏蔽磁场和排除磁通 第一节第一节 导电性能导电性能3 3 超导体的超导体的3 3个个重要性能指标重要性能指标（1 1）临界转变温度临界转

11、变温度TcTc 正常状态转变为超导状态的温度正常状态转变为超导状态的温度 临界转变温度越高越好，越有利于应用临界转变温度越高越好，越有利于应用（2 2）临界磁场临界磁场HcHc 能破坏超导态的最小磁场能破坏超导态的最小磁场 Hc值随温度降低而增加值随温度降低而增加 中间态中间态 第一类超导体，第二类超导体第一类超导体，第二类超导体 (3) (3) 临界电流密度临界电流密度JcJc 材料保持超导态状态的最大输入电流密度材料保持超导态状态的最大输入电流密度 第一节第一节 导电性能导电性能4 4 超导理论模型超导理论模型 库柏电子对库柏电子对(BCS)(BCS) 电子电子声子相互作用所产生电子对声子

12、相互作用所产生电子对 杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射 在金属和金属间化合物中的超导体的在金属和金属间化合物中的超导体的TcTc不超过不超过30 K30 K5 5 最新超导研究成果最新超导研究成果 19601960年代研究在氧化物超导体年代研究在氧化物超导体 19861986年，年，J JG GBednoreBednore和和K KA AMullerMuller发现了发现了TcTc为为35K35K的的BaBaLaLaCuCu系氧化物超导体，获得诺贝尔奖系氧化物超导体，获得诺贝尔奖 19871987年年2 2月我国科学家赵忠贤等人得到了月我国科学家

13、赵忠贤等人得到了TcTc在液氮以在液氮以上温度的上温度的Y YBaBaCuCuO O系超导体，即所谓的系超导体，即所谓的123123材材料料 目前已发现了超导温度达目前已发现了超导温度达133K133K以上的超导氧化物以上的超导氧化物 20042004年年4 4月月9 9日在昆明市应用我国自行研制的高温超日在昆明市应用我国自行研制的高温超导电力电缆导电力电缆35KV/20KA 35KV/20KA 第一节第一节 导电性能导电性能四四 影响材料导电性的因素影响材料导电性的因素 材料导电机理不同材料导电机理不同 ，影响因素及其，影响因素及其影响程度也不相同影响程度也不相同1 温度的影响温度的影响 金

14、属电阻率随温度升高而增大金属电阻率随温度升高而增大 （1）电子运动自由程减小，散射几率）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大增加导致电阻率增大 （2）在德拜温度以上，电子是完全自）在德拜温度以上，电子是完全自由的由的 完整的晶体中电子的散射取决于温度完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动于离子的热振动（3 3）纯金属的电阻率与温度关系纯金属的电阻率与温度关系 第一节第一节 导电性能导电性能（4 4）当温度较低）当温度较低( (低于低于德拜温度德拜温度) )时时 应考虑振动原子与导电电子之间的应考虑振动原子与导电电子之

15、间的相互作用相互作用 电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 低温时，积分值趋于常数，低温时，积分值趋于常数，电阻率电阻率 T T 当温度接近于当温度接近于O KO K时时(T(T2K2K），电子，电子的散射主要是电子与电子间的相互的散射主要是电子与电子间的相互作用作用 残留电阻率残留电阻率 （5）大多数金属在熔化成液态时，）大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约其电阻率会突然增大约12倍倍 原子长程排列被破坏原子长程排列被破坏 52 冷塑性变形和应力的影响冷塑性变形和应力的影响 冷塑性变形使金属的电阻率增大冷塑性变形使金属的电阻率增大（1 1）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加

16、）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加（2 2）原子间距改变）原子间距改变（3 3）再结晶退火可使电阻率恢复到冷变形前的水平）再结晶退火可使电阻率恢复到冷变形前的水平（4 4）应力的影响）应力的影响 3 3 合金化对导电性的影响合金化对导电性的影响（1）固溶体导电性）固溶体导电性 电阻率增高电阻率增高 原因：溶剂点阵的畸变原因：溶剂点阵的畸变 有效电子数减少有效电子数减少 马基申定律马基申定律 一是溶剂的电阻，二是溶质引起的附加电阻一是溶剂的电阻，二是溶质引起的附加电阻第一节第一节 导电性能导电性能第一节第一节 导电性能导电性能(2)(2)金属化合物的导电性金属化合物的导电性金属化合物的

17、导电能力都比较差金属化合物的导电能力都比较差原因：导电电子数减少原因：导电电子数减少 (3)多相合金的电阻率多相合金的电阻率 组成相的导电性及相对量组成相的导电性及相对量合金的组织形态合金的组织形态五五 导电性的测量及应用导电性的测量及应用 1 电阻测量方法电阻测量方法(1)双电桥法双电桥法 双电桥法是测量小电阻的常用方法双电桥法是测量小电阻的常用方法 有较高的精度有较高的精度 第一节第一节 导电性能导电性能 (2)(2)电位差计法电位差计法 测量小电阻有很高的精度测量小电阻有很高的精度(3)(3)安培一伏特计法安培一伏特计法 毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小毫伏计的阻值越高，试样的

18、阻值越小，误差越小(4)(4)直流四端电极法直流四端电极法 中、高电导率的材料中、高电导率的材料 2 2 电阻分析的应用电阻分析的应用测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化(1)(1)测量固溶体的溶解度曲线测量固溶体的溶解度曲线(2)(2)测定形状记忆合金中的相变温度测定形状记忆合金中的相变温度 形状记亿合金是一种新型功能材料形状记亿合金是一种新型功能材料第二节第二节 热电性能热电性能 一一 热电效应热电效应1 1 帕尔帖效应帕尔帖效应 接触电势接触电势 帕尔帖热与金属的本性和帕尔帖热与金属的本性和温度有关温度有关 焦耳热与电流方向无关焦耳

19、热与电流方向无关 帕尔帖热与电流方向有关帕尔帖热与电流方向有关 2 2 汤姆逊效应汤姆逊效应 汤汤姆逊热姆逊热 第二节第二节 热电性能热电性能3赛贝克效应赛贝克效应（1 1）接触电势差）接触电势差 电子逸出功不同电子逸出功不同 电子浓度不同电子浓度不同（2 2）热电势）热电势 有效电子密度有效电子密度 两接触端的温差两接触端的温差第二节第二节 热电性能热电性能二二 影响热电势的因素影响热电势的因素 1 1 金属本性的影响金属本性的影响 中间金属定律中间金属定律 热电偶热电偶2 2 温度的影响温度的影响 与两接点处的温差成正比与两接点处的温差成正比 热电势热电势E E与温度经验公式与温度经验公式

20、3 3 合金化的影响合金化的影响 形成连续固溶体时，热电势与形成连续固溶体时，热电势与浓度关系呈悬链式变化浓度关系呈悬链式变化4 4 含碳量对钢热电势的影响含碳量对钢热电势的影响 含碳量和其组织状态含碳量和其组织状态第三节第三节 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应 半导体的禁带宽度在半导体的禁带宽度在1eV1eV左右左右 一热敏效应一热敏效应电子和空穴导电电子和空穴导电B表示材料的电导活化能表示材料的电导活化能应用应用热敏温度计、电路温度补偿器热敏温度计、电路温度补偿器 二二 光敏效应光敏效应电阻明显下降电阻明显下降光电导光电导产生光电导的条件产生光电导的条件光敏电阻器光敏电阻器 第

21、三节第三节 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应三三 压敏效应压敏效应1 电压敏感效应电压敏感效应压敏电阻器压敏电阻器压敏电阻器的灵敏性压敏电阻器的灵敏性2 压力敏感效应压力敏感效应 电阻率发生改变电阻率发生改变 压阻效应和应力的关系压阻效应和应力的关系 四四 磁敏效应磁敏效应1 霍尔效应霍尔效应2 磁阻效应磁阻效应 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能 一一 极化的基本概念极化的基本概念 1 介质极化的基本概念介质极化的基本概念 （1）电介质）电介质 （2 ）介质极化）介质极化 2 电介质分类电介质分类 （1）非极性介质）非极性介质 无外电场作用时正负电荷中无外电场作用

22、时正负电荷中心重合心重合 电偶极矩电偶极矩 外电场越强，粒子的电偶极外电场越强，粒子的电偶极矩越大矩越大 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能（2 2）极性介质）极性介质 分子存在固有电偶极矩分子存在固有电偶极矩 电偶极矩转向外电场方向电偶极矩转向外电场方向 外电场越强，电极化的程度越高外电场越强，电极化的程度越高3 3 极化率极化率 表征材料的极化能力表征材料的极化能力 只与材料的性质有关只与材料的性质有关4 4 极化强度极化强度 线性极化线性极化 表征介质在电场作用下极化程度表征介质在电场作用下极化程度第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能2 2极化的基本形式极化

23、的基本形式 位移式极化、松弛极化位移式极化、松弛极化 1 1 位移极化位移极化 （1）电子位移极化）电子位移极化 电子云相对于原子核发生位移电子云相对于原子核发生位移 电子极化率电子极化率 依赖于频率、与温度无关依赖于频率、与温度无关 （2）离子位移极化）离子位移极化 感生的电偶极矩感生的电偶极矩 交变电场作用下离子位移极化率交变电场作用下离子位移极化率 与离子结构有关、与温度无关与离子结构有关、与温度无关 极化建立的时间极化建立的时间 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能2 2 松弛极化松弛极化与粒子的热运动有关与粒子的热运动有关是不可逆过程是不可逆过程（1）电子松弛极化）电子

24、松弛极化由弱束缚电子引起的由弱束缚电子引起的电子能态发生变化电子能态发生变化伴随有能量的损耗伴随有能量的损耗电子松弛极化建立的时间电子松弛极化建立的时间（1）离子松弛极化）离子松弛极化弱联系离子产生的弱联系离子产生的仅作有限距离的迁移仅作有限距离的迁移 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能3 转向极化转向极化主要发生在极性介质中主要发生在极性介质中建立时间较长建立时间较长比电子极化率高得多比电子极化率高得多 三三 介电常数介电常数 1 介电常数的概念介电常数的概念 2 恒定电场介电常数恒定电场介电常数（1）电位移）电位移 方向从自由正电荷指向自方向从自由正电荷指向自由负电荷由负电

25、荷第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能（2）介电常数）介电常数 相对介电常数相对介电常数 极化宏观参数极化宏观参数 极化微观参数极化微观参数 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能3 交变电场介电常数交变电场介电常数矢量矢量D和和P滞后于矢量滞后于矢量 E第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能4影响介电常数的因素影响介电常数的因素1 极化类型的影响极化类型的影响2 温度的影响温度的影响（1）介电常数与温度成非线性关系）介电常数与温度成非线性关系（2）介电常数与温度成线性关系）介电常数与温度成线性关系介电常数很大的材料其介电常数很大的材料其TK为负值为负值介

26、电常数较小的材料其介电常数较小的材料其TK为正值为正值3 频率的影响频率的影响第五节第五节 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 一一 电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念 1 1 介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念 电介质的作用电介质的作用 介质损耗越小越好介质损耗越小越好 2 漏导损耗漏导损耗 3 极化损耗极化损耗 2介质的损耗形式介质的损耗形式 1 电导电导( (或漏导或漏导) )损耗损耗 弱联系带电粒子弱联系带电粒子( (或空位或空位) )引起引起 2 2 极化损耗极化损耗松弛极化所造成的介质损耗比较大松弛极化所造成的介质损耗比较大造成损耗原因：电矩滞后于外加电场引起造成损耗原因：电

27、矩滞后于外加电场引起 第五节第五节 电介质的介质损耗电介质的介质损耗（1 1）低频率）低频率 不产生极化损耗不产生极化损耗（2 2）高频率）高频率 产生极化损耗产生极化损耗3 3 电离损耗电离损耗 由气体电离所引起由气体电离所引起 气孔中承受的电场强度比固态绝缘物中所承气孔中承受的电场强度比固态绝缘物中所承受平均值要大受平均值要大 应尽量减少介质中的气孔应尽量减少介质中的气孔4 4 结构损耗结构损耗 与温度关系不大，随频率升高而增大与温度关系不大，随频率升高而增大5 5 宏观结构不均匀的介质损耗宏观结构不均匀的介质损耗 工程介质材料大多数是不均匀介质工程介质材料大多数是不均匀介质 第五节第五节

28、 电介质的介质损耗电介质的介质损耗三三 影响材料介质损耗因素影响材料介质损耗因素1 1 对漏导（电导）损耗的影响对漏导（电导）损耗的影响介质损耗介质损耗 温度的升高，介质的电导率增大温度的升高，介质的电导率增大与频率无关与频率无关2 2 对极化损耗的影响对极化损耗的影响 快极化无损耗快极化无损耗缓慢极化产生损耗缓慢极化产生损耗（1 1）频率影响）频率影响频率很低时介质损耗为零频率很低时介质损耗为零损耗随着频率的增大而增大损耗随着频率的增大而增大 频率很高时仅由起始电导率决定损耗频率很高时仅由起始电导率决定损耗 第五节第五节 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 （2 2）温度影响）温度影响 温度对

29、损耗的影响是由温温度对损耗的影响是由温度对度对和和g的影响来决定的影响来决定 温度升高，使松弛极化容温度升高，使松弛极化容易发生易发生 温度很低时，很小损耗温度很低时，很小损耗 损耗随着温度升高而增大损耗随着温度升高而增大 损耗随温度的升高出现一损耗随温度的升高出现一 极大值极大值 电导损耗往往与松弛极化电导损耗往往与松弛极化损耗同时存在损耗同时存在 第六节第六节 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度 一一 强电场作用下绝缘材料的破坏强电场作用下绝缘材料的破坏1 介电强度介电强度 2 固体介质的击穿是不可逆过程固体介质的击穿是不可逆过程3 气体及液体介质的击穿是可逆过程气体及液体介质的击穿是可

30、逆过程4 击穿电压除与材料本身的性质有关外，击穿电压除与材料本身的性质有关外， 还与一系列的外界因素有关还与一系列的外界因素有关 5 电介质的击穿形式电介质的击穿形式 电击穿、热击穿和化学击穿电击穿、热击穿和化学击穿 6 击穿形式取决于试样的缺陷和电场的特性以及器件的击穿形式取决于试样的缺陷和电场的特性以及器件的工作条件工作条件 一个器件的击穿有一种是主要、决定的形式一个器件的击穿有一种是主要、决定的形式 第六节第六节 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度二二 击穿形式击穿形式1 电击穿电击穿 电过程电过程 （1）“雪崩雪崩”电击穿理论电击穿理论 强电场强电场自由电子自由电子撞击介质内的离子撞击介质内的离子 新的电子新的电子次级电子次级电子撞击出第三级电子撞击出第三级电子 “电子潮电子潮” 电击穿往往是瞬息完成的电击穿往往是瞬