材料的电学性能材料物理

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1、第五章材料的电学性能§5.1电导性能§5.2无机材料的电导§5.3半导体陶瓷的物理效应§5.4超导体§5.5介电性能§5.6介质损耗§5.7介电强度介电性能导电性能§5.1电导性能一、电导的宏观参数二、电导的物理特性三、离子电导与电子电导四、导电性的测量一、电导的宏观参数电导率与电阻率(ElectricalconductivityandResistivity)导电：在材料两端施加电压V时，材料中有电流I通过，这种现象称为“导电”。欧姆定律：（均匀导体）材料电阻电阻率J：电流密度A/cm2S：横截面积cm2电流均匀：电场强度均匀：E：电场强度

2、V/cmL：长度cm：电阻率Ω·cmσ：电导率Ω-1·cm-1S·cm-1S为西门子（Siemens）电阻率：电导率:电阻R不仅与材料本性有关，而且与导体的几何形状有关，电阻率只与材料本性有关，与导体的几何形状无关。欧姆定律的微分形式：非均匀导体根据导电性能的好坏，材料分为：导体：<10-2Ω·m绝缘体：>1010Ω·m半导体：10-2<<1010Ω·m材料的导电能力决定于其结构与导电本质。越小，越大，材料的导电性能就越好。2.体积电阻与体积电阻率体积电流表面电流体积电阻：表面电阻：总电流：RV反映材料的导电能力Rs与表面环境

3、有关，不反映材料的导电能力体积电阻率ρv(Ω·cm)是表征材料电阻性能的本征参数，只与材料有关。板状样品厚度cm板状样品电极面积cm2关键是测量材料的体电阻。板状试样h电极管状试样圆片试样abgr1hr2主电极a环形电极g全电极bVEI若两环形电极a，g间为等电位，其表面电阻可忽略。主电极a的有效面积：精确测定的经验公式：3.表面电阻与表面电阻率板状试样电极电极间的距离电极的长度表面电阻率ρS(Ω),ρs不反映材料性质，只决定于样品表面状态，可通过实验测出。圆片试样IhabgVx二、电导的物理特性1.载流子电荷在空间的定向运动形成电流，电荷

4、的自由粒子就是载流子。电子（电子，空穴）离子（正、负离子，空位）无机非金属材料中的载流子：金属导体中的载流子：自由电子电子电导、离子电导电子电导和离子电导具有不同的物理效应，利用其特有的物理效应可以判断和确定材料的电导性质。2.电导率的一般表达式物体导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移。单位体积内的载流子数为n（cm-3）每一载流子的荷电量为q单位体积内参加导电的自由电荷为nq每一载流子在电场方向的平均速度为v（cm/s）单位时间（1s）通过单位面积S的电荷量，即电流密度：迁移率(mobility)：单位电场下载流子的移动速度μ

5、＝v/E（cm2/s·V）若同时有数种载流子，总电导率：反映了电导率的微观本质：宏观电导率σ与微观载流子浓度n，电荷量q与迁移率μ的关系。3.电导的物理效应（1）霍尔效应—电子电导的特征当沿试样x轴方向通入电流密度为Jx的电流，同时在z轴方向加上磁场强度为Hz的磁场，由于磁场的作用，速度为vx的电子受到磁场力FH的作用力，磁场力使电子产生偏移在y方向上形成电场，这一现象称为霍尔效应，产生的电场称之为霍尔场EH=Ey。xyzFy=eEy（EH：霍尔场）HZJxFH=Hzevx（磁场力）平衡状态（电子受到的电场力与磁场力平衡）：霍尔系数:RH

6、＝1/ne根据电导率公式σ＝neμ，可得到霍尔迁移率μH：在一定实验条件下，通过测定RH和σ，可以求出载流子浓度n和迁移率μ（2）电解效应—离子电导的特征电解现象：离子迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失（电化学反应），产生新的物质。法拉第电解定律：电解物质与通过的电量呈正比。g－电解物质的量（mol）Q－通过的电量（C）C－电化当量（mol/C）z－电解物质的化合价F－法拉第常数，9.6487×104C/mol固体电解质的电解效应实验原理MX型化合物，电解时通过电量为Q。载流子有M＋、X－和e三种。通过的总电流可分为迁移数

7、分别为te-，tx-和tM+三个分电流。迁移数：指定种类的载流子所运载的电流与总电流之比。M(I)MX(I)MX(II)MX(III)M(II)-(1-te-)M·g+tX-MX·g±0-tX-MX·g+(1-te-)M·g(tM+·M－tX-·X)ge-te-QX-tX-QM+tM+QTubandt法原理（M,X,MX）分别为各物质原子量或分子量+-电极电极(tM+·M－tX-·X)gM(II)＋MX(II):1.离子电导离子晶体中的电导主要是离子电导。固有离子电导（本征电导）（高温显著）杂质电导（低温显著）离子电导的分类：晶体点阵的基本

8、离子随着热振动离开晶格形成热缺陷（离子或空位），这些带电的热缺陷就是离子电导的载流子。固定较弱的离子运动造成，主要是杂质离子。二、离子电导与电子电导interstitialato