《材料的电学性能》PPT课件.ppt
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1、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
2、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 e
3、V,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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、。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
12、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
13、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
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