第六章材料的电学.ppt

第6章 材料的电学(Electrical properties of materials);许多材料由于其电学性质获得应用;6. 1 金属导体的导电性(Electrical conductivity of metal conductors) ;6.1.1 自由电子近似下的导电性(Electrical conductivity under free-electron approximation);欧姆定律 J=?E=E/?J：通过导体的电流密度，即单位时间通过传导方向上的单位截面积的电量；E：导体所处的电场强度；?：电阻率；?：电导率，为电阻率的倒数。;经典自由电子理论——材料中的自由电子作无规则热运动。;所以有 ;考虑量子效应，在自由电子近似下，仅费米面附近的电子运动未被抵消，对导电性有贡献。按照量子自由电子理论可以推知电导率;6.1.2 能带理论下的导电性(Electrical conductivities in energy band theory);在能带理论下，有电导率;一价元素（包括IA族碱金属Li、Na、K、Rb、Cs和IB族Cu、Ag、Au）;二价元素（包括IIA族碱土金属Be、Mg、Ca、Sr、Ba和IIB族Zn、Cd、Hg）;IIIA族元素Al、Ga、In、Tl：最外层的电子排布是ns2np3——s电子是充满的，但p电子是半充满的，可成为传导电子——导体。;VA族元素As、Sb、Bi的每个原子有5个价电子，是不满填的。但其每个原胞有两个原子——五个带填10个电子，几乎全满——导带电子很少，传导电子密度比一般金属少4个数量级——有效电子很少，电导率比一般金属导体低——半金属。;6.1.3 导电性与温度的关系(Relationship between electrical conductivity and temperature);能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射，电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射形成电阻;温度越高，晶格振动越剧烈，对电子散射越显著，导体的电阻越大。;可以推导，在温度T2?D/3的高温，有 ? ?T;定义?＝1/lF为散射系数;理想晶体和实际晶体在低温时的电阻率－温度关系;认为按一定方法制备的金属具有相似的几何缺陷浓度，则金属导体中的杂质含量越多，在极低温（一般为4.2K）下金属的剩余电阻率越大——可用高温和低温下电阻的比率反映金属导体的纯度。;实验上——电阻的不同来源难于区分——工程实践中统一以经验公式表示电阻与温度的关系 ?t=?0(1+?t)?0和?t分别表示0℃和t℃下的电阻率；t为温度； ?为电阻温度系数。;6.1.4 电导功能材料(Functional materials with special electrical conductivity) ;1 导电材料;包括锰铜合金、铜锰合金、铜镍合金、银锰合金、镍铬合金等。可在合金中加入第三、第四、第五组元。铜锰合金的电阻温度系数为(20～100)×10-6/?C，电阻率为(4.0～5.0)×10-3?m。铜镍合金的电阻温度系数最小，含镍50-wt%左右时电阻温度系数接近于0，只有20×10-6/?C，其电阻率为5.0×10-3?·m。;主要用于制作电阻加热体和高温用电极，包括电热合金和电热陶瓷。;用于开关、继电器等元件涉及两接触导体的导电;最常用：铜。易氧化，使接触电阻在使用过程中增大。用黄铜(Cu-Zn合金)提高耐磨性。Cu-Ag合金、Cu-Be合金、Cu-Ag-Pt合金满足特殊要求;6.2 霍尔效应(Hall effect) ;将导体或半导体放置在磁场中通以垂直于磁场的电流，则导体或半导体内将产生一个与电流和磁场方向都垂直的电场，这一现象称为霍尔效应。;霍尔电场的强度为;z方向的磁场使沿x方向运动的电子受-y方向的洛伦兹力而向该方向移动，-y端(A面)积累了负电荷，+y端(C面)积累了正电荷。由于两端的正负电荷积累而形成霍尔电场。; eEy=evxBz Ey=vxBz ;p为空穴密度，e为空穴电量——霍尔系数为正值，大小只与空穴密度有关。;应用：;;;6.3 超导电性(Superconductivity) ;6.3.1 超导现象(Phenomena of superconductivity) ;1 零电阻;零电阻：超导态的电阻率小于目前可以检测到的小电阻率10-23?·m。 大多数的金属中都发现了超导现象， 陶瓷和聚合物中也发现了超导现象。;对处于超导态的超导体施加磁场，超导体中的磁感应强度为0，即外加的磁场会被排斥在超导体