《材料的电学性能》PPT课件

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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ρ和电导率σ。电阻的测量：电阻及电阻率的计算：电阻率ρ和电导率σ的关系:根据电阻率ρ和电导率σ的大小，判定材料导电性能好坏，并进行分类。导体：ρ<10-5Ωm半导体：10-3<ρ<109Ωm绝缘体：ρ>109Ωm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

2、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ΔE禁带ΔE金刚石ΔE

3、=6eV硅ΔE=1.1eV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ΔE，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

4、*单位体积内的有效电子数，m*电子的有效质量，τ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

5、金属固溶体电阻率：基本电阻率ρ(T)：由热运动引起，与温度有关。残余电阻率ρC：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。0K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≤2K)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θD。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

6、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

7、高金属的电阻率。ρ0为无负荷电阻率，αγ应力系数，σ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

8、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