材料性能與測試課件第九章材料的電性能1

1、12 材料電學(xué)性能是材料物理性能的重要組成部分。材料電學(xué)性能是材料物理性能的重要組成部分。電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，因此有電流必須有電荷輸電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，因此有電流必須有電荷輸運(yùn)過程。電荷的載體稱為載流子，可以是電子、空運(yùn)過程。電荷的載體稱為載流子，可以是電子、空穴、離子；穴、離子； 由于工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧蠈?dǎo)電性能的不同要求，由于工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧蠈?dǎo)電性能的不同要求，相應(yīng)的研制出不同電學(xué)性能的材料，如導(dǎo)體合金、相應(yīng)的研制出不同電學(xué)性能的材料，如導(dǎo)體合金、精密電阻合金、電熱合金、觸點(diǎn)材料、半導(dǎo)體材料精密電阻合金、電熱合金、觸點(diǎn)材料、半導(dǎo)體材料等；等；引 言 39.1 材料的導(dǎo)電性能材料的導(dǎo)電性

2、能9.2 材料的超導(dǎo)性能材料的超導(dǎo)性能目 錄 9.4 材料的熱電性能材料的熱電性能9.5 材料壓電性能與鐵電性能材料壓電性能與鐵電性能 9.3 介質(zhì)極化與介質(zhì)損耗介質(zhì)極化與介質(zhì)損耗4一、一、 導(dǎo)電概念導(dǎo)電概念 當(dāng)在材料的兩端施加電壓時(shí)，材料中有電流流過，電當(dāng)在材料的兩端施加電壓時(shí)，材料中有電流流過，電流是電荷的定向流動(dòng)，電荷載體稱為載流子，包括電子、流是電荷的定向流動(dòng)，電荷載體稱為載流子，包括電子、空穴、離子；空穴、離子； 歐姆定律歐姆定律二、二、 電阻概念電阻概念 與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與材料與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與材料 的長度及截面積有關(guān)的長度及截面積有關(guān)三、三、 電阻率和電導(dǎo)率電阻率和電導(dǎo)率

3、 互為倒數(shù)，前者單位歐互為倒數(shù)，前者單位歐米米(m),(m),電導(dǎo)率單位西電導(dǎo)率單位西/ /米米(S/m)(S/m)只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)是評(píng)定導(dǎo)電性的是評(píng)定導(dǎo)電性的基本參數(shù)基本參數(shù)。RVI/9.1 材料的導(dǎo)電性能SLR9.1.1 材料的導(dǎo)電性能指標(biāo)材料的導(dǎo)電性能指標(biāo)5四、四、 相對電導(dǎo)率相對電導(dǎo)率 把國際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅把國際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅( (在在2020的電阻率的電阻率=0.01724m=0.01724m，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率=58=5810106 6 S/m)S/m)的電導(dǎo)率作的電導(dǎo)率作為為100100，其它導(dǎo)電材料與該數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)；例如，其

4、它導(dǎo)電材料與該數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)；例如，F(xiàn)eFe的的IACSIACS為為1717，AlAl為為6565，AgAg為為115115；五、導(dǎo)電性能分類五、導(dǎo)電性能分類 按照導(dǎo)電性能高低把固態(tài)材料分為導(dǎo)體按照導(dǎo)電性能高低把固態(tài)材料分為導(dǎo)體(0.01m)0.01m)、半導(dǎo)體、半導(dǎo)體(0.01m(0.01m10101010m)m)、絕緣、絕緣體體(10101010m)m)；6一、一、 金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要階段：導(dǎo)電理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要階段：經(jīng)典電子經(jīng)典電子理論理論量子電子理論量子電子理論能帶理論能帶理論1、經(jīng)典電子理論、經(jīng)典電子理論 離子構(gòu)成了晶格點(diǎn)陣

5、離子構(gòu)成了晶格點(diǎn)陣, 價(jià)電子是價(jià)電子是自由電子自由電子, 遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；自由電子定向運(yùn)動(dòng)中，的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；自由電子定向運(yùn)動(dòng)中，不斷與正離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電阻；不斷與正離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電阻；金屬的導(dǎo)電性取決于自由電子的數(shù)金屬的導(dǎo)電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運(yùn)動(dòng)速度；量、平均自由程和平均運(yùn)動(dòng)速度；9.1.2 材料的導(dǎo)電機(jī)理材料的導(dǎo)電機(jī)理vmlne22n電子密度；e電子電量；l平均自由程；v電子運(yùn)動(dòng)平均速度；m電子質(zhì)量71)1)不能解釋一價(jià)金屬導(dǎo)電性比二、三價(jià)金屬好；不能解釋一價(jià)金屬導(dǎo)電性比二、三價(jià)金屬好；2)2)實(shí)踐證明，高溫實(shí)踐證明，高溫T T

6、，低溫低溫T T 5 5。 3)3)自由電子的比熱，實(shí)驗(yàn)值比理論值小很多。自由電子的比熱，實(shí)驗(yàn)值比理論值小很多。4)4)經(jīng)典理論不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象經(jīng)典理論不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象 存在的缺陷存在的缺陷 ，可見理論與實(shí)際不符可見理論與實(shí)際不符 經(jīng)典電子論在一定程度上解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)經(jīng)典電子論在一定程度上解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)用經(jīng)典力學(xué)處理微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，不能正確反映微用經(jīng)典力學(xué)處理微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律82、量子自由電子理論、量子自由電子理論 根本區(qū)別是自由電子的運(yùn)動(dòng)必須服從量子力學(xué)根本區(qū)別是自由電子的運(yùn)動(dòng)必須服從量子力學(xué)的規(guī)律。電子是費(fèi)米子，導(dǎo)電的只是費(fèi)米能級(jí)的

7、規(guī)律。電子是費(fèi)米子，導(dǎo)電的只是費(fèi)米能級(jí)附近的電子，原子的內(nèi)層電子保持著單個(gè)原子附近的電子，原子的內(nèi)層電子保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，價(jià)電子按量子化具有不同的能時(shí)的能量狀態(tài)，價(jià)電子按量子化具有不同的能級(jí)電子具有波粒二象性運(yùn)動(dòng)為著的電子作為級(jí)電子具有波粒二象性運(yùn)動(dòng)為著的電子作為物質(zhì)波，有關(guān)系式：物質(zhì)波，有關(guān)系式： 一價(jià)金屬中自由電子的動(dòng)能一價(jià)金屬中自由電子的動(dòng)能 E K為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的能量狀態(tài)參數(shù)能量狀態(tài)參數(shù) 從粒子的觀點(diǎn)看，曲線表示自由電子的能從粒子的觀點(diǎn)看，曲線表示自由電子的能量與速度量與速度(或動(dòng)量或動(dòng)量)之間的關(guān)系；從波動(dòng)的觀點(diǎn)之間的關(guān)系

8、；從波動(dòng)的觀點(diǎn)看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系；看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系；電子的波數(shù)越大，則能量越高；電子的波數(shù)越大，則能量越高； 沒有加外加電場時(shí)自由電子沿正、反方向運(yùn)沒有加外加電場時(shí)自由電子沿正、反方向運(yùn)動(dòng)著電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生；動(dòng)著電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生；2222821222KmhmvEhphmvKphmvh圖圖9-1 自由電子的自由電子的EK曲線曲線9v在0K以上只有少數(shù)能量接近費(fèi)米能的自由電子才可能躍遷到較高的能級(jí)中去。在室溫下大約只有1%的自由電子才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)躍遷。這就成功地解釋了自由電子對比熱容的貢獻(xiàn)為何只是經(jīng)典電子理論計(jì)算出來的百分之一。v不是所有

9、的自由電子都能參與導(dǎo)電，在外電場的作用下，只有能量接近費(fèi)密能的少部分電子，方有可能被激發(fā)到空能級(jí)上去而參與導(dǎo)電。這種真正參加導(dǎo)電的自由電子數(shù)被稱為有效電子數(shù)。10 在外加電場的作用下，使正在外加電場的作用下，使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，使金屬反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電，只有處于較高能態(tài)的自由導(dǎo)電，只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電；電子參與導(dǎo)電； 缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣畸變和熱振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸畸變和熱振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸變，對電磁波造成散射，形成電變，對電磁波造成散射，形成電阻；阻；2*2*2222envmlenvmvmlenefFFefFFFefnef單位體

10、積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)的電子數(shù)；單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)的電子數(shù)；e電子電量；電子電量；l平均自由程；平均自由程；v電子運(yùn)動(dòng)平均速度；電子運(yùn)動(dòng)平均速度；m*電子有效質(zhì)量電子有效質(zhì)量散射系數(shù)散射系數(shù)缺陷：假設(shè)離子勢場均勻，不符合實(shí)際圖圖9-2 電場對電場對EK曲曲線的影響線的影響11 3 3、能帶理論、能帶理論F 量子自由電子模型與實(shí)際情量子自由電子模型與實(shí)際情況有差別，例如：況有差別，例如：MgMg是二價(jià)金是二價(jià)金屬，導(dǎo)電性比一價(jià)銅差；另外，屬，導(dǎo)電性比一價(jià)銅差；另外，量子力學(xué)認(rèn)為電子有隧道效應(yīng)，量子力學(xué)認(rèn)為電子有隧道效應(yīng)，一切價(jià)電子都可以位移，為什一切價(jià)電子都可以位移，為什么固體的導(dǎo)電性差別巨大？能

11、么固體的導(dǎo)電性差別巨大？能帶理論解決；帶理論解決；u 價(jià)電子是公有化、能量量子價(jià)電子是公有化、能量量子化，和量子自由電子理論一致；化，和量子自由電子理論一致； 金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，這個(gè)勢能不是常數(shù)，金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，這個(gè)勢能不是常數(shù)，是位置的函數(shù)，采用單電子近似求解薛定鍔方程，得出電子在晶是位置的函數(shù)，采用單電子近似求解薛定鍔方程，得出電子在晶體中的能量狀態(tài)，將在能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)譜上出現(xiàn)能隙，分為體中的能量狀態(tài)，將在能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)譜上出現(xiàn)能隙，分為禁帶和禁帶和允帶允帶；價(jià)電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)要受到周期場的作用；價(jià)電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)要受到周期場的作用;能帶發(fā)生分裂，能帶

12、發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的即有某些能態(tài)是電子不能取值的;圖圖9-3 周期場中電子運(yùn)動(dòng)的對周期場中電子運(yùn)動(dòng)的對EK曲線及能帶曲線及能帶12 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu): :允帶和禁帶交替，允帶中每個(gè)能級(jí)只能允許允帶和禁帶交替，允帶中每個(gè)能級(jí)只能允許有兩個(gè)自旋相反的電子存在；滿帶電子不導(dǎo)電；有兩個(gè)自旋相反的電子存在；滿帶電子不導(dǎo)電； 空能級(jí)空能級(jí)：允帶中未被填滿電子的能級(jí)，空能級(jí)電子是自：允帶中未被填滿電子的能級(jí)，空能級(jí)電子是自由的，參與導(dǎo)電，稱為由的，參與導(dǎo)電，稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶； 周期勢場的變化幅度越大，禁帶越寬周期勢場的變化幅度越大，禁帶越寬 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體

13、能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖圖9-4 能帶填充情況示意圖能帶填充情況示意圖13 導(dǎo)體導(dǎo)體 允帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶允帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊相互重疊 在外電場的作用下電子很容易從一個(gè)能級(jí)在外電場的作用下電子很容易從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)到另一個(gè)能級(jí)上去而產(chǎn)生電流轉(zhuǎn)到另一個(gè)能級(jí)上去而產(chǎn)生電流 絕緣體絕緣體 一個(gè)滿帶上面相鄰的是一個(gè)較寬的禁帶，由于滿一個(gè)滿帶上面相鄰的是一個(gè)較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動(dòng)的余地，即使禁帶上面的能帶完帶中的電子沒有活動(dòng)的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即不能

14、產(chǎn)生電流。即不能產(chǎn)生電流。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不同的是它的禁半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄帶比較窄 半導(dǎo)體的能帶在外界作用下，價(jià)帶中的電半導(dǎo)體的能帶在外界作用下，價(jià)帶中的電子就有能量可能躍遷到導(dǎo)帶中去子就有能量可能躍遷到導(dǎo)帶中去14 具有部分充填能帶結(jié)構(gòu)的晶體大都是導(dǎo)體；具有部分充填能帶結(jié)構(gòu)的晶體大都是導(dǎo)體；IA族堿族堿金屬金屬Li、Na、K、Rb、Se，IB族的族的Cu、Ag、Au，外層，外層s電子傳導(dǎo)電子，每個(gè)原子只能給出一個(gè)價(jià)電子，價(jià)帶只電子傳導(dǎo)電子，每個(gè)原子只能給出一個(gè)價(jià)電子，價(jià)帶只能填充半滿。能填充半滿。 二價(jià)元素，如二價(jià)元素，如A族堿

15、土族堿土Be、Mg、Ca、Sr、Ba，B族族Zn、Cd、Hg，每個(gè)原子給出兩個(gè)價(jià)電子，能帶填，每個(gè)原子給出兩個(gè)價(jià)電子，能帶填滿，應(yīng)該是絕緣體，但是在三維晶體下，能帶之間發(fā)生滿，應(yīng)該是絕緣體，但是在三維晶體下，能帶之間發(fā)生重疊，費(fèi)米能級(jí)以上不存在禁帶，因此也是金屬；重疊，費(fèi)米能級(jí)以上不存在禁帶，因此也是金屬； 三價(jià)元素三價(jià)元素Al、Ga、In、Tl每個(gè)單胞含一個(gè)原子，給每個(gè)單胞含一個(gè)原子，給出三個(gè)價(jià)電子，填滿一個(gè)帶和一個(gè)半滿帶，也是金屬；出三個(gè)價(jià)電子，填滿一個(gè)帶和一個(gè)半滿帶，也是金屬；As、Sb、Bi每個(gè)原子外圍有每個(gè)原子外圍有5個(gè)電子，原胞是個(gè)電子，原胞是2個(gè)原子，個(gè)原子，5個(gè)帶填個(gè)帶填10個(gè)

16、電子全滿，帶中電子少，半金屬，傳導(dǎo)電子個(gè)電子全滿，帶中電子少，半金屬，傳導(dǎo)電子濃度只有濃度只有1024/m3，比金屬少，比金屬少4個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。15 四價(jià)元素比較特殊，導(dǎo)帶是空的，價(jià)帶完全填滿，四價(jià)元素比較特殊，導(dǎo)帶是空的，價(jià)帶完全填滿，中間有能隙中間有能隙Eg較小，較小，Ge、Si分別為分別為0.67eV和和1.14eV。室。室溫下，價(jià)帶電子受熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子，溫溫下，價(jià)帶電子受熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子，溫度增加，導(dǎo)電性增加，因此低溫下是絕緣體，室溫下半度增加，導(dǎo)電性增加，因此低溫下是絕緣體，室溫下半導(dǎo)體。導(dǎo)體。 離子晶體一般為絕緣體。例如離子晶體一般為絕緣體。例如Na

17、Cl晶體中晶體中Na的的3s電子移到電子移到Cl中，中，3s軌道空，軌道空，Cl的的3p軌道滿帶，中間有軌道滿帶，中間有10eV的能隙，若激發(fā)不能使電子進(jìn)入導(dǎo)帶；的能隙，若激發(fā)不能使電子進(jìn)入導(dǎo)帶；(一般情況下一般情況下絕緣體絕緣體Eg3 eV)16金屬非金屬使用時(shí)間和人類文明同步，半導(dǎo)體應(yīng)用金屬非金屬使用時(shí)間和人類文明同步，半導(dǎo)體應(yīng)用是是2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代開始，信息時(shí)代年代開始，信息時(shí)代 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純的半導(dǎo)體：純的半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：引入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體，：引入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體，n n、p p型型 本征半導(dǎo)體的電子本征半導(dǎo)體的電子空穴對是由熱激活產(chǎn)生的空穴對是由熱激

18、活產(chǎn)生的 雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大 本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為為半導(dǎo)體)2/exp(0kTEg0 0系數(shù)；系數(shù)；Eg禁帶寬度；禁帶寬度；k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；T絕對溫度；絕對溫度；17晶體晶體Eg(eV)晶體晶體Eg(eV)C(金剛石)5.2-5.6CdS2.42PN4.8GaP2.25Ga2O34.6Cu2O2.1CoO4CdO2.1TiO23.1-3.8Te1.45Fe2O33.1GaSe1.4BaTiO32.5-3.2Si1.1SiO22.8-3PbSe0.27-0.5ZnSe2.6P

19、bTe0.25-0.3Al2O32.5PbS0.35本征半導(dǎo)體室溫下的Eg18本征激發(fā) 絕對零度時(shí)，價(jià)電絕對零度時(shí)，價(jià)電子無法掙脫共價(jià)鍵束子無法掙脫共價(jià)鍵束縛，不導(dǎo)電；縛，不導(dǎo)電； 溫度上升、光照時(shí)，溫度上升、光照時(shí)，熱激發(fā)，產(chǎn)生電子熱激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用空穴對，在電場作用下，形成電流。本征下，形成電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力只半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力只取決于電子空穴對取決于電子空穴對數(shù)量多少，和價(jià)電子數(shù)量多少，和價(jià)電子數(shù)目多少無關(guān)。數(shù)目多少無關(guān)。19摻雜半導(dǎo)體和PN結(jié) 摻入微量的五價(jià)元摻入微量的五價(jià)元素素P P、AsAs、銻，多余一、銻，多余一個(gè)價(jià)電子處于共價(jià)鍵個(gè)價(jià)電子處于共價(jià)鍵之外成為自

20、由電子，之外成為自由電子，雜質(zhì)原子為正離子，雜質(zhì)原子為正離子，N N型；型； 摻入微量的三價(jià)元摻入微量的三價(jià)元素素AlAl、B B、InIn，少個(gè)價(jià)，少個(gè)價(jià)電子產(chǎn)生空穴，雜質(zhì)電子產(chǎn)生空穴，雜質(zhì)原子為負(fù)離子，導(dǎo)電原子為負(fù)離子，導(dǎo)電依靠空穴，依靠空穴，P P型；型；正向?qū)?，反向擊穿，正向?qū)?，反向擊穿，Si管導(dǎo)通管導(dǎo)通0.6-0.8V,Ge管管0.1-0.3V20三極管(結(jié)晶體管)和場效應(yīng)管21 1、離子晶體導(dǎo)電、離子晶體導(dǎo)電 離子導(dǎo)電離子電荷載流子在電場的作用下定向流離子導(dǎo)電離子電荷載流子在電場的作用下定向流動(dòng)；可以分為兩類：一是源于晶體點(diǎn)陣中基本離子的運(yùn)動(dòng)；可以分為兩類：一是源于晶體點(diǎn)陣中基

21、本離子的運(yùn)動(dòng)，稱為離子本征電導(dǎo)，熱激活引起；二是源于晶體點(diǎn)動(dòng)，稱為離子本征電導(dǎo)，熱激活引起；二是源于晶體點(diǎn)陣中雜質(zhì)離子的運(yùn)動(dòng)，稱為雜質(zhì)電導(dǎo)；陣中雜質(zhì)離子的運(yùn)動(dòng)，稱為雜質(zhì)電導(dǎo)； 離子電導(dǎo)率和溫度關(guān)系：離子電導(dǎo)率和溫度關(guān)系： 存在的多種載流子時(shí)，材料存在的多種載流子時(shí)，材料 的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的 總和總和 二、無機(jī)非金屬的導(dǎo)電機(jī)理二、無機(jī)非金屬的導(dǎo)電機(jī)理iikTBATBAhbenazAkTEAi)exp(ln2)exp(22222 2、玻璃導(dǎo)電、玻璃導(dǎo)電 常溫下玻璃絕緣體，高溫下電阻大大降低，有些成常溫下玻璃絕緣體，高溫下電阻大大降低，有些成為導(dǎo)體。硅化物玻璃，可移動(dòng)的

22、載流子是為導(dǎo)體。硅化物玻璃，可移動(dòng)的載流子是SiO2基體中的基體中的一價(jià)陽離子，如一價(jià)陽離子，如Na離子。調(diào)整成分可以控制玻璃的電離子。調(diào)整成分可以控制玻璃的電阻率。阻率。 目前許多的半導(dǎo)體玻璃、導(dǎo)電玻璃，如非晶硅、目前許多的半導(dǎo)體玻璃、導(dǎo)電玻璃，如非晶硅、ITOITO等，復(fù)合材料，其導(dǎo)電機(jī)理是電子導(dǎo)電，和硅化物玻璃等，復(fù)合材料，其導(dǎo)電機(jī)理是電子導(dǎo)電，和硅化物玻璃的導(dǎo)電機(jī)理不同。的導(dǎo)電機(jī)理不同。239.1.3 常用的電導(dǎo)功能材料常用的電導(dǎo)功能材料一、導(dǎo)電材料一、導(dǎo)電材料 傳送電流而很小電能損失的材料，電力工業(yè)用的電線、傳送電流而很小電能損失的材料，電力工業(yè)用的電線、電纜為代表，包括強(qiáng)電弱電，如

23、導(dǎo)電涂料、膠粘帶、透電纜為代表，包括強(qiáng)電弱電，如導(dǎo)電涂料、膠粘帶、透明導(dǎo)電材料等；明導(dǎo)電材料等；1、Cu及及Cu合金：電解銅，含量在合金：電解銅，含量在99.97-99.98%,可分為可分為半硬銅半硬銅(電導(dǎo)率電導(dǎo)率98%-99%), 硬銅硬銅(96-98%);雜質(zhì)降低電導(dǎo)雜質(zhì)降低電導(dǎo)率，特別是氧，無氧銅性能穩(wěn)定抗腐蝕延展性好，拉成率，特別是氧，無氧銅性能穩(wěn)定抗腐蝕延展性好，拉成細(xì)絲，適于海底電纜軟線；細(xì)絲，適于海底電纜軟線；2、Al及及Al合金：含量在合金：含量在99.6-99.8%, 相對電導(dǎo)率相對電導(dǎo)率61，僅次于僅次于Ag、Cu、Au，密度只有，密度只有Cu的的1/3，160V以上高以

24、上高壓線用鋼絲增強(qiáng)壓線用鋼絲增強(qiáng)Al電纜、合金增強(qiáng)電纜、合金增強(qiáng)Al線；使用溫度低于線；使用溫度低于90；耐熱；耐熱Al合金可在合金可在150下工作，用作大容量高壓下工作，用作大容量高壓輸電線；超耐熱輸電線；超耐熱Al合金可在合金可在200下工作，變電站下工作，變電站24二、電阻材料二、電阻材料 電路設(shè)計(jì)需要，提供一定的電阻；如電熱元件，傳感電路設(shè)計(jì)需要，提供一定的電阻；如電熱元件，傳感器，有金屬、碳素、半導(dǎo)體，形狀各異，要求是電阻溫器，有金屬、碳素、半導(dǎo)體，形狀各異，要求是電阻溫度系數(shù)小，阻值穩(wěn)定，電阻率適當(dāng)，加工連接容易度系數(shù)小，阻值穩(wěn)定，電阻率適當(dāng)，加工連接容易1、精密電阻合金：錳銅合金

25、、精密電阻合金：錳銅合金(電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)20-10010-6/)，銅鎳合金含量，銅鎳合金含量(電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)2010-6/)，均勻退，均勻退火保證電學(xué)性能溫度；火保證電學(xué)性能溫度；2、電熱合金：工作溫度可達(dá)、電熱合金：工作溫度可達(dá)900-1350，鎳鉻合金、，鎳鉻合金、FeNiCr合金，合金，F(xiàn)eCrAlCo等；等；3、高溫加熱元件和電極：主要在、高溫加熱元件和電極：主要在1500上使用，金屬上使用，金屬Pt可以在空氣中使用至可以在空氣中使用至1500，石墨、，石墨、Mo、W只能在還原只能在還原氣氛下使用，陶瓷電熱元件氣氛下使用，陶瓷電熱元件(SiC、MoSi2、LaCrO

26、3)可在可在空氣中使用；空氣中使用；25三、電觸點(diǎn)材料三、電觸點(diǎn)材料 電流通過兩導(dǎo)體接觸部分的電阻稱為電流通過兩導(dǎo)體接觸部分的電阻稱為接觸電阻接觸電阻，包括會(huì)，包括會(huì)聚電阻聚電阻(接觸面變小產(chǎn)生的接觸面變小產(chǎn)生的)、過渡電阻、過渡電阻(表面膜電阻表面膜電阻)； 觸點(diǎn)材料主要是鉑系材料，接觸電阻穩(wěn)定。觸點(diǎn)材料主要是鉑系材料，接觸電阻穩(wěn)定。Pt熔點(diǎn)熔點(diǎn)1764，高溫時(shí)產(chǎn)生熔化粘結(jié)，加入，高溫時(shí)產(chǎn)生熔化粘結(jié)，加入30-70的的Ir，形成，形成Pt-Ir合金，熔點(diǎn)高，抗氧化性好；合金，熔點(diǎn)高，抗氧化性好；OsIr合金；合金； W熔點(diǎn)熔點(diǎn)3382，硬度高，但在空氣中極易氧化，加工困，硬度高，但在空氣中極

27、易氧化，加工困難。難。W-Ag合金用作大電流的繼電器開關(guān)觸點(diǎn)；合金用作大電流的繼電器開關(guān)觸點(diǎn)；W-Cu合金合金用于油浸的斷路開關(guān)；用于油浸的斷路開關(guān)； Ag熔點(diǎn)熔點(diǎn)960，99.8以上純度的以上純度的Ag，接觸電阻非常小，接觸電阻非常小，用于小繼電器觸點(diǎn)；用于小繼電器觸點(diǎn)；6Pt-69Cu-25Ag合金可代替合金可代替Pt用用于通訊電路中的觸點(diǎn)材料；于通訊電路中的觸點(diǎn)材料； Cu價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于繼電器的觸點(diǎn)，但表面易氧化，價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于繼電器的觸點(diǎn)，但表面易氧化，使用過程中接觸電阻增加，加入使用過程中接觸電阻增加，加入Ag改善；改善；Cu-Be合金用于合金用于頻繁開關(guān)，如電氣機(jī)車的開

28、關(guān)觸點(diǎn)；頻繁開關(guān)，如電氣機(jī)車的開關(guān)觸點(diǎn)；26金屬電阻率隨溫度升高而增大金屬電阻率隨溫度升高而增大 1）電子運(yùn)動(dòng)自由程減小，散射幾率增加導(dǎo)致電阻率增大；）電子運(yùn)動(dòng)自由程減小，散射幾率增加導(dǎo)致電阻率增大； 2）在德拜溫度以上，電子是完全自由的）在德拜溫度以上，電子是完全自由的 完整的晶體中電子的散射取決于溫度造成的點(diǎn)陣畸變，完整的晶體中電子的散射取決于溫度造成的點(diǎn)陣畸變，金屬的電阻取決于離子的熱振動(dòng)；金屬的電阻取決于離子的熱振動(dòng)；3）純金屬的電阻率與溫度關(guān)系）純金屬的電阻率與溫度關(guān)系 4）當(dāng)溫度較低）當(dāng)溫度較低(低于德拜溫度低于德拜溫度)時(shí)時(shí) 應(yīng)考慮振動(dòng)原子與導(dǎo)電電子之間的相互作用，低溫時(shí)，積應(yīng)考

29、慮振動(dòng)原子與導(dǎo)電電子之間的相互作用，低溫時(shí)，積分值趨于常數(shù)，電阻率分值趨于常數(shù)，電阻率 T59.1.4 材料導(dǎo)電性影響因素材料導(dǎo)電性影響因素)1 (0TT一、溫度一、溫度27溫度增加，電阻率增大；溫度增加，電阻率增大；電阻溫度系數(shù)，一般是電阻溫度系數(shù)，一般是0.4%;0.4%;但不同溫度范圍內(nèi)曲線不同；但不同溫度范圍內(nèi)曲線不同；電子聲子散射，極低溫度下成電子聲子散射，極低溫度下成2 2次方關(guān)系時(shí)，電子電子散射次方關(guān)系時(shí)，電子電子散射為主；為主；圖圖9-5 金屬電阻溫度曲線金屬電阻溫度曲線圖圖9-6 銻、鉀、鈉熔化時(shí)電阻銻、鉀、鈉熔化時(shí)電阻率變化曲線率變化曲線5）大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時(shí)，）大多

30、數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時(shí)，其電阻率會(huì)突然增大約其電阻率會(huì)突然增大約1-2倍，倍，原子長程排列被破壞原子長程排列被破壞 )1 (0TT28冷塑性變形使金屬的電阻率增大冷塑性變形使金屬的電阻率增大 一般一般2-6，W增加增加30-50， Mo增加增加15-20；1）晶體點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷增加，空位濃度的）晶體點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷增加，空位濃度的增加，降低點(diǎn)陣電場均勻性，加大電子散射；增加，降低點(diǎn)陣電場均勻性，加大電子散射；2）原子間距改變）原子間距改變3）再結(jié)晶退火降低缺陷，可使電阻率恢復(fù)到冷）再結(jié)晶退火降低缺陷，可使電阻率恢復(fù)到冷變形前的水平；淬火升高電阻率；變形前的水平；淬火升高電阻率；4）應(yīng)力的影

31、響）應(yīng)力的影響 拉升壓降拉升壓降二、冷加工和缺陷二、冷加工和缺陷29 1）固溶體導(dǎo)電性）固溶體導(dǎo)電性 純金屬導(dǎo)電性和其元素周期表位置有關(guān)，不純金屬導(dǎo)電性和其元素周期表位置有關(guān)，不同的能帶結(jié)構(gòu)；合金復(fù)雜同的能帶結(jié)構(gòu)；合金復(fù)雜 固溶時(shí)電阻率增高固溶時(shí)電阻率增高 原因：溶劑點(diǎn)陣的畸原因：溶劑點(diǎn)陣的畸變，增加電子散射，有效電子數(shù)減少變，增加電子散射，有效電子數(shù)減少 低濃度固溶體符合馬西森定律低濃度固溶體符合馬西森定律 一是溶劑的電阻，二是溶質(zhì)引起的附加電阻一是溶劑的電阻，二是溶質(zhì)引起的附加電阻三、合金化三、合金化302)金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電能力都比較差金屬化合物的導(dǎo)電能

32、力都比較差原因：金屬鍵變?yōu)殡x子鍵、共價(jià)鍵，導(dǎo)電電子數(shù)原因：金屬鍵變?yōu)殡x子鍵、共價(jià)鍵，導(dǎo)電電子數(shù)減少減少 3)多相合金的電阻率多相合金的電阻率 組成相的導(dǎo)電性及相對量、合金的組織形態(tài)組成相的導(dǎo)電性及相對量、合金的組織形態(tài)319.1.5 材料導(dǎo)電性測量材料導(dǎo)電性測量一、電阻測量方法一、電阻測量方法1) 雙電橋法雙電橋法 雙電橋法是測量小電阻的常用方法，有較高的精度雙電橋法是測量小電阻的常用方法，有較高的精度2) 電位差計(jì)法電位差計(jì)法 測量小電阻有很高的精度測量小電阻有很高的精度3) 安培一伏特計(jì)法安培一伏特計(jì)法 毫伏計(jì)的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小毫伏計(jì)的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小4

33、) 直流四探針法直流四探針法 中、高電導(dǎo)率的材料中、高電導(dǎo)率的材料3233R 1908年年Leiden大學(xué)的大學(xué)的KamerlinghOnnes獲得了液獲得了液氦，得到氦，得到1K低溫。低溫。1911年發(fā)現(xiàn)在年發(fā)現(xiàn)在4.2K附件，水銀的附件，水銀的電阻突然消失無法檢測，這種在一定溫度下材料失電阻突然消失無法檢測，這種在一定溫度下材料失去電阻的現(xiàn)象。小于目前能檢測到的最小電阻率去電阻的現(xiàn)象。小于目前能檢測到的最小電阻率10-25cm Tc：臨界轉(zhuǎn)變溫度：臨界轉(zhuǎn)變溫度 可廣泛應(yīng)用在可廣泛應(yīng)用在NMR、粒子加速器、粒子加速器、 推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、磁懸浮列車、推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、磁懸浮列車、 核聚變

34、、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)、變壓器等核聚變、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)、變壓器等9.2 材料的超導(dǎo)性能9.2.1 超導(dǎo)的概念超導(dǎo)的概念349.2.2 超導(dǎo)的特點(diǎn)超導(dǎo)的特點(diǎn)圖圖9-5 超導(dǎo)態(tài)對磁通的排斥超導(dǎo)態(tài)對磁通的排斥超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特征超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特征1 1、完全導(dǎo)電性完全導(dǎo)電性 永久電流永久電流 NbZrNbZr合金超導(dǎo)合金超導(dǎo)線制成的螺線管，估計(jì)超導(dǎo)電線制成的螺線管，估計(jì)超導(dǎo)電流衰減時(shí)間大于流衰減時(shí)間大于1010萬年；超導(dǎo)萬年；超導(dǎo)體室溫放入磁場中，冷卻到低體室溫放入磁場中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，移開原磁場，溫進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，移開原磁場，感生電流沒有電阻長久存在；感生電流沒有電阻長久存在； 2 2、完全抗磁性完全

35、抗磁性 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 0，屏蔽磁場和排除磁通，磁，屏蔽磁場和排除磁通，磁場穿透深度只有幾十場穿透深度只有幾十nmnm。359.2.3 超導(dǎo)的性能指標(biāo)超導(dǎo)的性能指標(biāo)超導(dǎo)體的三個(gè)性能指標(biāo)超導(dǎo)體的三個(gè)性能指標(biāo)1 1、臨界轉(zhuǎn)變溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度TcTc 越高越好，有利于應(yīng)用；目前金屬間氧化物轉(zhuǎn)變越高越好，有利于應(yīng)用；目前金屬間氧化物轉(zhuǎn)變溫度最高的溫度最高的140K140K左右，金屬間化合物最高的左右，金屬間化合物最高的NbNb3 3GeGe為為23.3K23.3K；2 2、臨界磁場臨界磁場HcHc Tc Tc以下將磁場作用于超導(dǎo)體，當(dāng)磁場強(qiáng)度大于以下將磁場作用于超導(dǎo)體

36、，當(dāng)磁場強(qiáng)度大于HcHc時(shí)，磁力線穿入超導(dǎo)體，即磁場破壞了超導(dǎo)態(tài)；時(shí)，磁力線穿入超導(dǎo)體，即磁場破壞了超導(dǎo)態(tài)；3 3、臨界電流密度臨界電流密度 材料保持超導(dǎo)態(tài)的最大臨界電流密度材料保持超導(dǎo)態(tài)的最大臨界電流密度36 一些金屬低溫超導(dǎo)的臨界溫度和臨界磁場一些金屬低溫超導(dǎo)的臨界溫度和臨界磁場材料臨界溫度Tc(K)臨界磁場Hc(奧斯特)發(fā)現(xiàn)年代鎢(W)0.01299鋁(Al)1.174293銦(In)3.416412汞(Hg)4.158031911鉛(Pb)7.219501913鈮(Nb)9.261930釩三硅(V3Si)17.024,5001953鈮三錫(Nb3Sn)18.11954鈮鋁鍺(Nb3Al

37、0.75Ge0.35)21.0420,0001967鈮三鍺(Nb3Ge)23.21973379.2.4 超導(dǎo)的理論模型超導(dǎo)的理論模型1 1、庫柏電子對、庫柏電子對(BCS)(BCS) 電子電子聲子相互作用所產(chǎn)生電子對聲子相互作用所產(chǎn)生電子對 雜質(zhì)原子和缺陷對電子對不能進(jìn)行有效的散射雜質(zhì)原子和缺陷對電子對不能進(jìn)行有效的散射 并且預(yù)言在金屬和金屬間化合物中的超導(dǎo)體的并且預(yù)言在金屬和金屬間化合物中的超導(dǎo)體的TcTc不超過不超過30 K30 K2 2、高溫超導(dǎo)體模型、高溫超導(dǎo)體模型液氮溫度以上，如液氮溫度以上，如Y Y系系123123相相(YBa(YBa2 2CuCu3 3O O7 7) )、BiBi

38、系的系的2212(Bi2212(Bi2 2SrSr2 2CaCuCaCu2 2O,Tc=80K)O,Tc=80K)、2223(Bi2223(Bi2 2SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O)O)，目前尚無統(tǒng)一的模型解釋，目前尚無統(tǒng)一的模型解釋其超導(dǎo)機(jī)理；其超導(dǎo)機(jī)理；38 1986年，日本田中昭二小組得到了LaBaCuO在30K以上的抗磁轉(zhuǎn)變和23K以上的零電阻轉(zhuǎn)變。由此引發(fā)了世界性的“高溫超導(dǎo)熱”。1987年美國朱經(jīng)武等用稀土元素Y代替Ba，獲得YBaCuO陶瓷的起始轉(zhuǎn)化溫度為100K，我國中科院趙忠賢小組也同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了YBaCuO的超導(dǎo)性。 結(jié)構(gòu)基本特征是兩個(gè)CuO2平面中間有一層Y

39、原子面，上下是BaO原子面，上下底是含CuO鏈的平面。Y、Ba占據(jù)A位置，Cu占據(jù)B位置，故也稱類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。 9.2.5 高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀39 LaOFeAs是一種由絕緣的氧化鑭層（LaO）和金屬導(dǎo)電的砷鐵（FeAs）層交錯(cuò)層疊而成、具有結(jié)晶構(gòu)造的層狀化合物。氟離子的置換量超過3后即會(huì)顯現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)，在11左右得到了32K的最高臨界溫度。 2008年3月29日，趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)摻氟鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52K，4月初，該小組又發(fā)現(xiàn)在壓力環(huán)境下合成的無氟缺氧釤氧鐵砷化合物，其超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55K。40 “十五”期間，北京英納建成年產(chǎn)能力

40、300公里Bi系高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線。提供了大批量高質(zhì)量的Bi高溫超導(dǎo)線材約60公里，另免費(fèi)供線15公里41 2004年底，應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與甘肅長通電纜公司等合作，研制成功75m、10.5kV/1.5kA三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜，并投入實(shí)際運(yùn)行。 42 在新型鐵基材料La(O1-xFx)FeAs方面，應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)的粉末裝管方法，首次成功研制出轉(zhuǎn)變溫度達(dá)25K的鐵基鑭氧鐵砷 （La(O1-xFx)FeAs）線材。這是世界上第一個(gè)將鐵基新超導(dǎo)材料加工成超導(dǎo)線材的工作，對于強(qiáng)電應(yīng)用具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與物理所合作又制備出轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)52K 的釤氧鐵砷（Sm(O

41、1-xFx)FeAs）線材，其上臨界場Hc2（T=0）高達(dá)120 T，進(jìn)一步顯示出鐵基新超導(dǎo)材料在高場磁體中具有廣闊的應(yīng)用前景。 439.3 介質(zhì)極化與介電損耗9.3.1 介質(zhì)極化介質(zhì)極化一、極化概念一、極化概念 極化極化： 介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷現(xiàn)象電荷現(xiàn)象電介質(zhì)電介質(zhì)(dielectric)：電場下能極化的：電場下能極化的材料材料電介質(zhì)分類電介質(zhì)分類 1）非極性介質(zhì)）非極性介質(zhì) 無外電場作用時(shí)正負(fù)電荷中心重合無外電場作用時(shí)正負(fù)電荷中心重合, 外電場越強(qiáng)，粒子的電偶極矩外電場越強(qiáng)，粒子的電偶極矩qu越大越大 2）極性介質(zhì)）極性介質(zhì) 分子存在固有電偶極矩分子存在固

42、有電偶極矩 電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向 外電場越強(qiáng)，電極化的程度越高外電場越強(qiáng)，電極化的程度越高圖圖9-6 電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化示意圖示意圖圖圖9-7 電偶極子電偶極子qu443) 介質(zhì)極化率 單位電場強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小，表征材料的極化能力(Fm2) 只與材料的性質(zhì)有關(guān)，是微觀極化參數(shù)4) 介質(zhì)極化強(qiáng)度P 電介質(zhì)材料在電場作用下的極化程度，單位體積中的感生電偶極矩對于線性極化 locE0nVPloclocEnnPE00n0單位體積中的偶極子數(shù)； 偶極子平均電偶極矩45位移式極化、松弛極化、轉(zhuǎn)向極化 1.1.位移極化位移極化 1）電子位移極化 電子云相對于原子核發(fā)

43、生位移 電子極化率依賴于頻率、與溫度無關(guān) 2）離子位移極化 感生的電偶極矩 交變電場作用下離子位移極化率，與離子結(jié)構(gòu)有關(guān)、與溫度無關(guān) 10-12-10-13s二、極化基本形式二、極化基本形式0彈性偶極子固有頻率；振動(dòng)頻率；e電子電量，q離子電量，m電子質(zhì)量，M離子質(zhì)量；)1(2202mee)1(2202Mqi462. 松弛極化松弛極化 與粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，是不可逆過程；1）電子松弛極化 由弱束縛電子引起的電子能態(tài)發(fā)生變化，伴隨有能量的損耗，電子松弛極化建立的時(shí)間 10-2-10-9s；2）離子松弛極化 弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的，僅作有限距離的遷移； 3. 轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化 主要發(fā)生在極性介質(zhì)中，偶極子

44、在外電場中轉(zhuǎn)向，趨于一致；建立時(shí)間較長10-2-10-10s，轉(zhuǎn)向極化率比電子極化率高得多；47三、介電常數(shù)三、介電常數(shù)1 介電常數(shù)的概念 平板電容間有電介質(zhì)時(shí)電容增加倍數(shù)；是反映電介質(zhì)極化行為的一個(gè)主要宏觀物理量；2 恒定電場介電常數(shù) 1）電位移 方向從自由正電荷指向自由負(fù)電荷，極板間充以電介質(zhì)后，電介質(zhì)的極化作用，電位移加上極化強(qiáng)度P，EPPEDED0000真空介電常數(shù)，SI單位制中08.8510-2，高斯制中為1；是電介質(zhì)宏觀極化率，E為宏觀平均電場無介質(zhì)下有電介質(zhì)下482）介電常數(shù) 相對介電常數(shù) 極化宏觀參數(shù) 極化微觀參數(shù) EDEEEDrr000000/1)1 ()1 (EEnEnEE

45、Plocrlocr000001)1( 和人分別為電介質(zhì)的介電常數(shù)、相對介電常數(shù)；上式表明與極化有關(guān)的宏觀參數(shù)(,r, E)和微觀參量(, n0, Eloc)之間的關(guān)系；493 交變電場介電常數(shù) 復(fù)數(shù)矢量，矢量D和P滯后于矢量 E，介電常數(shù)變成復(fù)數(shù)，若D滯后E一個(gè)相位角，損耗角，則 ieEDEDEDeDDeEEsiwtiti)cos(cos*00)(00電解質(zhì)平板電容的總電流：理想電容器充電電流、電解質(zhì)極化電流、電解質(zhì)漏電流，超前電壓90-，實(shí)部對應(yīng)電容充放電過程電流iCU，虛部對應(yīng)能力損耗部分”CU 50材料材料r r材料材料r r石蠟2.0-2.5LiF晶體9.27聚乙烯2.26云母晶體 5

46、.4-6.2聚氯乙烯4.45TiO2晶體86-170天然橡膠2.6-2.9TiO2陶瓷80-110酚醛樹脂5.1-8.6CaTiO3陶瓷130-150石英晶體4.27-4.34BaTiO3晶體1600-4500氧化鋁陶瓷9.5-11.2BaTiO3陶瓷1700NaCl晶體6.12常用材料的相對介電常數(shù)514 影響介電常數(shù)的因素1) 極化類型的影響2) 溫度的影響 a 介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系 b 介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系介電常數(shù)很大的材料其溫度系數(shù)TK為負(fù)值介電常數(shù)較小的材料其TK為正值頻率的影響3) 電子極化發(fā)生在任何頻率；紫外光范圍只有電子位移極化，紅外光范圍，離子(原子)極化；頻率降低

47、，各種極化有；521 介質(zhì)損耗的基本概念介質(zhì)損耗的基本概念 電介質(zhì)在電場的作用下電能轉(zhuǎn)變熱能，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)電介質(zhì)在電場的作用下電能轉(zhuǎn)變熱能，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱損耗能量；熱損耗能量； 介質(zhì)損耗越小越好，不但耗能，而且影響元器件正常工作介質(zhì)損耗越小越好，不但耗能，而且影響元器件正常工作 1 電導(dǎo)電導(dǎo)(或漏導(dǎo)或漏導(dǎo))損耗損耗 存在漏電流，弱聯(lián)系帶電粒子存在漏電流，弱聯(lián)系帶電粒子(或空位或空位)引起引起 2 極化損耗極化損耗松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較大；造成損耗原因：電矩松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較大；造成損耗原因：電矩滯后于外加電場引起滯后于外加電場引起 9.3.2 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗一、介質(zhì)損耗概

48、念一、介質(zhì)損耗概念二、介質(zhì)損耗分類二、介質(zhì)損耗分類53a 低頻率不產(chǎn)生極化損耗b 高頻率產(chǎn)生極化損耗3 電離損耗電離損耗 由氣體電離所引起 氣孔中承受的電場強(qiáng)度比固態(tài)絕緣物中所承受平均值要大 ；應(yīng)盡量減少介質(zhì)中的氣孔4 結(jié)構(gòu)損耗結(jié)構(gòu)損耗 與溫度關(guān)系不大，隨頻率升高而增大5 宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗 工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì) 541 1 對漏導(dǎo)（電導(dǎo)）損耗的影響對漏導(dǎo)（電導(dǎo)）損耗的影響介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗 溫度的升高，介質(zhì)的電導(dǎo)率增大溫度的升高，介質(zhì)的電導(dǎo)率增大與頻率無關(guān)與頻率無關(guān)2 2 對極化損耗的影響對極化損耗的影響 快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗頻率很低時(shí)介質(zhì)損耗為零頻率很低時(shí)介質(zhì)損耗為零損耗隨著頻率的增大而增大損耗隨著頻率的增大而增大 頻率很高時(shí)僅由起始電導(dǎo)率決定損耗頻率很高時(shí)僅由起始電導(dǎo)