《材料的电学性能》PPT课件.ppt

材料的电学性能,师体海,1 导电性 2 晶体的能带3 金属、合金的导电性4 超导电性5 接触电性6 热电性7 压电性、8 铁电性、9 光电性、10 磁电性11 纺织材料的电学性能,材料的电学性能,1 导电性,描述材料导电性的基本物理量：电阻R、电阻率和电导率。,电阻的测量：,电阻及电阻率的计算：,电阻率和电导率的关系:,根据电阻率和电导率的大小，判定材料导电性能好坏，并进行分类。,导 体：10-5 m,半导体：10-3 109 m,绝缘体：109 m,造成材料导电性差异的主要原因:,能带结构及其被电子填充的性质有关。,2 晶体的能带,晶体的能带分为：价带、禁带和导带。,晶体的导电性是其能带分布的反映。其价带是否被填满，是否存在禁带，以及禁带宽度的大小等因素决定其导电性能。,2.1 导体和非导体的区别,价带,导带,金属导体的能带分布特点:无禁带,第一种：价带和导带重叠。第二种：价带未被价电子填满，价带本身就是导带。,价带（导带）,这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。,半导体和绝缘体的能带分布情况:,在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。,非导体的能带分布特点:有禁带,2.2半导体和绝缘体的区别,禁带宽度的大小。半导体：禁带宽度小。绝缘体：禁带宽度大。,价带,导带,价带,导带,禁带E,禁带E,金刚石 E=6 eV,硅 E=1.1 eV,绝缘体,半导体,半导体:,禁带宽度小。在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量E，跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使半导体具有一些导电能力。,绝缘体:,禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体几乎没有导电能力。,金属导电的机制：,3 金属、合金的导电性,在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶体点阵中定向传播。,在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。,经典理论,量子理论,3.1 金属导电的机制与马基申定律,根据量子电子论和能带理论得出电导率计算公式：,e 电子的电荷量，n*单位体积内的有效电子数，m*电子的有效质量，电子两次相邻散射的时间间隔。,令：,（散射系数）,其中：,则电阻率为：,电阻的本质,电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。,电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。,电阻产生的机制,（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶 体缺陷等），对电子波产生散射。,（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产 生散射。,（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。,原因（1）、（2）产生，0K时为0。,电阻,基本电阻：,残余电阻：,原因（3）产生，0K时的电阻。,马基申定律,金属固溶体电阻率：,基本电阻率(T)：由热运动引起，与温度有关。,残余电阻率C：决定于化学缺陷和物理缺陷，与温度无关。,3.2 影响金属导电性的原因,1.温度对金属电阻的影响,（1）一般规律,其大小决定于晶体缺陷的类型和数量。,0 K 时：,极低温时：电子散射占主要地位，声子散射很弱，基 本电阻与温度的平方成正比。(T 2 K),随着温度的升高，声子散射散射作用逐渐增强，并占据主导地位。,根据德拜理论，原子热振动存在两个规律性区域，区分区域的温度被称为德拜温度D。,时：,时：,纯金属的电阻温度系数大多近似为，过渡族金属特别是磁性金属较大，如铁的值为,（2）过渡族金属和多晶型转变,在过渡族金属中电阻与温度的关系复杂，Mott认为这是由于过渡族金属中存在着不同的载体。,传导电子有可能从 s-壳层向 d-壳层过渡，对电阻带来明显影响。另外，在 时，s态电子在 d 态电子上的散射将变得很可观。,因此，金属室温以上的线性关系被破坏。,过渡族金属,金属多晶型转变,多晶型金属的不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，电阻率随温度变化将发生突变。,（3）铁磁金属的电阻-温度关系反常,铁磁材料随温度的变化，在一定温度下发生铁磁-顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系反常。,2.受力情况对金属电阻的影响,（1）拉力的影响,（2）压力的影响,在弹性限度内，单向拉伸或扭转应力能提高金属的电阻率。,0 为无负荷电阻率，应力系数，为拉应力。,对于大多数金属，压力能降低金属的电阻率。,3.冷加工对金属电阻的影响,冷加工的形变使金属的电阻率提高。,4.晶格缺陷对金属电阻的影响,晶格缺陷使金属的电阻率提高。,5.热处理对金属电阻的影响,冷加工后，再退火，可使电阻降低。当退火温度接近于再结晶温度时，可降低到冷加工前的水平。,但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而增大。新晶粒的晶界阻碍了电子的运动。,淬火能够固定金属在高温时的空位浓度，而产生残余电阻。淬火温度越高，残余电阻越大。,6.几何尺寸效应对金属电阻的影响,当试样的尺寸与导电电子的平均自由程在同一数量级时，电子在表面发生散射，产生附加电阻。,7.电阻率的各向异性,一般立方晶系的单晶体电阻表现为各向同性，但对称性较差的六方、四方、斜方等晶系单晶体的导电性表现为各向异性。,多晶体各向同性。,3.3 合金的导电性,3.3.1 固溶体的导电性,1.固溶体的电阻与组元浓度的关系,在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低（电阻增大）。即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性的金属溶质也是如此。,原因,主要原因：原子半径差引起的晶格点阵畸变，增加了 对电子的散射，使得电阻增大。半径差越 大，越明显。（与合金热阻的规律相同）,另外还有：（1）杂质对理想晶体的局部破坏。（2）合金化对能带结构起了作用，改变了 电子能态的密度和有效电子数。（3）合金化影响了弹性常数，点阵振动的 声子谱改变。,在连续固溶体中，合金成分距组元越远，电阻率越高。在二元合金中，最大电阻率一般出现在 50%浓度处，而且比组元电阻高几倍。,s,4.1 超导电性什么是超导体？1.零电阻 将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。1911年昂纳斯首先发现，汞在低于临界温度4.15K时电阻变为零。,4 超导电性、接触电性、热电性,目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。,元素的超导电性参数？,超导现象首先是在导体中发现的，其转变温度最高的是Nb3Ge为23.2K。,1986年贝诺兹和穆勒在对La-Be-Cu-O系的研究中发现了超导现象，其转变温度达到35K。,开始了新型超导体的研究热潮，超导转变温度不断被提高。,Y-Be-Cu-O系（90K），Be-Sr-Ca-Cu-O系（110K），Ti-Be-Ca-Cu-O系（120K），被称为高温超导体。,超导体的性能1、完全的导电性 昴尼斯实验证明：超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。,将超导体做成环在温度TTC放入磁场中，环中无电流。将温度降到Tc以下，也无电流产生，此时撤去磁场，环内将有感生电流产生，电流不随时间而衰减。表明超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。,2.完全抗磁性 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。,超导体的完全抗磁性机理：这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。因此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故称抗磁感应电流或屏蔽电流。,超导电性的影响因素和基本临界参数,温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。,超导材料的应用,超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。,1957年，巴丁、库柏和施瑞费发现BCS理论。超导现象产生的原因：,超导现象的物理本质,是由于超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，使得电子双双结成电子对（库柏电子对），它是超导态电子与经各点阵相互作用的结果。,当超导态中的某一电子在晶体中运动时，它周围的正离子点阵将被这个电子的吸引向其靠拢以降低静电能，从而使此局部区域的正电荷的密度增加，而这个正电荷区域又会对另一个电子产生吸引力，正是这种引力克服了电子间的静电斥力，使得两个动量和自旋方向相反的电子结成电子对。成为库柏电子对。超导态由于电子结成库柏对，使得能量降低而成为稳定态。,当两种材料在它们接触的效界面上产生的载流子的某种行为，由此引起的两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电效应。存在于两种不同材料接触之中。如：金属-金属，金属-半导体，金属-电解质溶液，P型半导体-N型半导体，金属-氧化物-半导体。,2.11.1 金属-金属的接触电效应 1.金属电子的逸出功 金属中自由电子逃逸出金属表面所需要的最小能量。用表示,5 接触电性,5 接触电性,金属表面势垒-E0电子具有的最大动能，费米能EF，逸出功=E0-EF 逸出点位 V=/e 金属的逸出功在光电子发射，热电子发射，温差电现象等用重要应用。,2.金属-金属接触（MM结）,5 接触电性,两个不同的金属相互紧密接触时，在接触面附近形成的特殊区域。电子扩散,5 接触电性,接触电位差形成的原因之一：两种金属逸出功不同电子发生扩散形成空间电场扩散和漂移相互竞争达到平衡状态形成一定的电位差电位差：,5 接触电性,接触电位形成的原因之二：两种金属的自由电子密度不同电子发生扩散形成空间电场扩散和漂移相互竞争达到平衡状态形成一定的电位差,金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。,材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流，故因电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，构成热电效应。,2.12.1 第一热电效应-塞贝克效应 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电位差及电流产生，称为塞贝克效应。,电位差与温度差成正比。,6 热电性,6 热电性,温差电位差形成机制：热端的高能电子向冷端热扩散，在两端分别形成异号电荷积累区，形成内电场，当扩散和漂移平衡时，形成稳定的电位差。温差越高，电位差越大。不同的导体（或半导体）热电势率不同。,6 热电性,不同导体（或半导体）接触形成的接触电位差，是影响这一现象另一个原因。（在不同温度下接触电位不同）,6 热电性,5、塞贝克效应的应用（1）温度的测量（金属）（2）温差发电（半导体）,塞贝克效应在半导体中比在金属中更为显著。,6 热电性,第二热电效应-玻尔帖效应 当有电流通过两个不同导体（或半导体）组成的回路时，除产生不可逆的焦尔热外，还要有两接头处分别出现吸收或放出热量Q的现象，Q称为玻尔帖热，此现象为玻尔帖效应，被认为是塞贝克效应的逆效应。被用于温差制冷。,原因：接触电位区的存在。电子在通过接触区被减速时，动能减少，与原子碰撞后获得能量，吸热。反之放热。,6 热电性,第三热电效应-汤姆逊效应 当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流的方向和温度梯度的方向而定，此现象为汤姆逊效应。,原因：电子在通过温差电位区被减速时，动能减少，与原子碰撞后获得能量，吸热。反之放热。,6 热电性,热电子效应 固体受热后，出现大量电子逸出固体进入真空，形成电子发射的热电现象称为热电子效应。1、热电子发射机理固体受热，内部自由电子的动能增加，当温度足够高、动能足够大（大于逸出功），电子逸出固体表面。2、热电子效应的应用电子管、X射线管，阴极射线管，电子显微镜等,6 热电性,4.3 压电效应定义：在某些晶体（绝缘介电材料）的一定方向上施加压力或拉力，则在晶体的一些对应的表面上分别出现正、负电荷，其电荷密度与施加的外力大小成正比。力致形变产生电极化。晶体的非中心对称性是产生压电效应的必要条件。常见的压电晶体：石英晶体、钛酸钡、铌酸锂等。,7 压电性,2.13.2 压电效应的应用压电振荡器(石英振荡器）超声发射器和接收器信号处理器压电发电机、压电马达,7 压电性,8 铁电性,铁电性,介电材料中，无外加电场时，宏观上并不表现出极化现象。在外电场的作用下，具有电极化滞后的现象（电滞）。这类材料称为铁电体。,铁电体由于自发极化可以在内部形成若干均匀极化的区域，它们的极化方向不同，这些区域称为电畴。晶体宏观上不表现出电极性。铁电体的特征是具有电畴结构的晶体，这些电畴的界面称为“畴壁”。,原因：,8 铁电性,9 光电性,光电性：某些物质（金属和半导体）受到光照后，引起物质电性发生变化。原因：是光子与电子相互作用的结果。光子主要是被吸收或改变频率和方向；电子发生能量和状态的变化，从束缚区域的状态转变到比较自由的状态，因而导致物质电性的变化。2.16.1 外光电效应 固体受光照后从表面逸出电子的现象称为外光电效应或光电发射效应，逸出的电子称为光电子。,近代物理已确认了光的波粒二象性，外光电效应是光的粒子性的表现。同时爱因斯坦建立了如下公式：,应用：光电倍增管。用于探测各种高能粒子。,9 光电性,2.16.2 内光电效应 物体受光照后无电子发射，但其电导率发生变化或产生电动势，这种现象称为内光电效应。1、光电导效应 半导体受光辐射时，电导率增加而变得易于导电。半导体不受光辐射时，导带中的自由电子极少，近似空带，而价电子全部束缚于满的价带中，故电导率很小。要打破电子的这种分布格局，就必须输入能量，以破坏原子间的价键，将电子从价带提升到导带-光电导效应。,9 光电性,应用：（1）光敏电阻（2）红外光电导探测器（3）高速光电开关（4）光电导摄像管（5）静电复印机的有机光电导体等光探测器。,（2）光磁电效应 当在垂直与光照的方向上再加一个磁场，则在半导体的两侧端面间将产生电位差，此现象称为光磁电效应。,9 光电性,（3）PN结光生伏特效应 当光照射在PN结上，在PN结上会产生电动势（电位差），此现象称为PN结光生伏特效应。,9 光电性,10 磁电性,将运动的导体，通电的导体或半导体置于磁场中，产生电动势（电位差）、电阻变化等，这类磁致电变的现象称为磁电效应。2.17.1 霍尔效应 磁场对载流导体或半导体中的载流子有作用，致使产生横向电位差的现象称为霍尔效应。普通金属的霍尔效应,霍尔电压与导体的宽度成正比。,霍耳系数RH=1/nq，与载流子的浓度n成反比，正、副由载流子所带电荷决定。金属载流子是电子霍耳系数为负值。P型半导体为正值，N型半导体为负值。,10 磁电性,2.半导体的霍尔效应 特点：1）效应更显著；2）N型、P型3.霍尔效应的应用,10 磁电性,2.17.2 磁电阻效应 磁场对载流导体或半导体中的载流子作用，致使电阻值发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应分为：物理磁电阻效应、几何磁电阻效应。物理磁电阻效应是材料的电阻率随磁场增大的效应，故又称磁电阻率效应。几何磁电阻效应是电阻随样品几何形状而变化。,产生磁电阻效应的原因是磁场改变了载流子的漂移路径，致使与外加电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大。磁场的方向与外电场相垂直时的磁电阻效应称为横向磁电阻效应，而二者平行时称为纵向磁电阻效应。,10 磁电性,2.17.3 磁生电效应 磁动生电动势 磁感生电动势,10 磁电性,2.9.2 电介质的介电常数,11 绝缘体的电学性能,11 纺织材料的电学性能,一.纺织材料的介电性 二.纺织材料的导电性 三.纺织材料的静电,65,一、纺织材料的介电性 1.介电系数 介电现象：指绝缘体材料(也叫电介质)在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象。由于电介质的极化，材料表面出现感应电荷，感应电荷使原电容器的电场强度减小，电容器的电容量增加（如图）。,66,介电系数（介电常数）衡量介电现象强弱的物理量，即材料在电场中被极化的程度，反映材料的储电能力。,67,式中，C电容极板间填充电介质时的电容量;C0电容器极板间为真空时的电容量。,2.常见纺织材料的介电常数 工频条件下（50HZ）：空气，1；液态水，20；干纺材料，25,68,材料的介电常数（频率f50Hz，T=2025，RH=65%）,3.应用（1）测试纺织材料的回潮率 水的远大于纺织材料，纺织材料重量一定回潮率不同，电容器的电容量不同。（2）测试纱线（条）的均匀性 纺织材料大于空气的，平行金属板电容器间的纱条粗细变化（纤维根数变化），电容量变化。,69,4.影响因素（1）纤维内部结构 分子量、极性基团的数量、堆砌密度（2）外部因素 温度、回潮率、电场频率,70,4.介电损耗 在交变电场作用下，纤维材料的极性基团以及纤维内部的水分子会发生极化，极化分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换不断地作翻转交变取向运动，分子间发生碰撞、摩擦、生热，消耗能量。电介质在电场作用下引起发热而消耗能量，称为介电损耗。,71,（1）纺材作为电工绝缘材料，介电损耗小为好，以免材料发热引起老化。（2）利用介电损耗，可对纺材进行烘干。同条件，水的介电损耗大，吸收绝大部分能量而很快蒸发，材料本身吸收的能量少。,72,二、导电性能,反映纤维材料导电性质的指标比电阻。1.指标（1）体积比电阻v（cm）试样长1cm，截面积为1cm2时的电阻。,73,式中，R：电流流过材料时的电阻()：试样的长度（cm）S：试样截面积（cm2）,（2）表面比电阻S（）电流流过长、宽都为1cm材料表面时的电阻。,74,R：电流流过材料表面时的电阻()：试样的宽度（cm）：电极间的距离（cm）,（3）质量比电阻m（g/cm2）试样长1cm，重1g的纤维束时的电阻。m=v 式中，：纤维的材料的密度 v：体积比电阻 m 易测，应用较多。,75,纺织纤维的质量比电阻因值较大，采用对数表示，比电阻高的易产生静电。（7以下为好）,76,3.影响纤维比电阻的因素（1）湿度 湿度升高，电阻减小（2）温度 温度升高，电阻减小（3）纤维上的附着物 油剂、棉蜡、油脂的存在，。,77,三、静电,静电现象是指不同纤维材料之间或纤维与其它材料之间由于接触和摩擦作用使纤维或其它材料上产生电荷积聚的现象。（一）产生原因 摩擦接触感应起电。（二）静电电位序列,78,（四）影响 1.应用 静电纺丝、静电纺纱、静电植绒 2.影响 在纺织加工过程中，造成条子发毛，纱线毛羽增多，卷装成形不良，缠绕机械元件。服用过程中，衣服易吸灰，缠身。,79,（三）指标 静电压、静电量、电荷半衰期（静电衰减到原始值一半时所需的时间）、比电阻。,3.减少或防止静电现象的方法 1）提高空气的相对湿度2）表面抗静电剂 3）混纺 a.合成纤维与吸湿性好的纤维混纺 b.按电位序列使带正电荷与带负电荷纤维混纺4）抗静电纤维：金属、导电纤维5）织物防静电整理,80,