试谈材料的电学性能PPT课件(18张)

电容和电感的应用
1. 电容的应用
电容在各种电子设备和系统中都有应用，如滤波器、耦合器、去耦电路、调谐器等。电容还可以用于储能和缓冲 ，例如在闪光灯中用于提供瞬时大电流。此外，电容传感器在测量位移、压力、温度等方面也有广泛应用。
电感的应用
电感在变压器、扼流圈、振荡器等电子设备和系统中有着广泛的应用。电感还可以用于信号筛选和抑制电磁干扰 。例如，在音频设备中，电感常用于低音提升电路来调整低频信号的幅度。此外，电感在电机控制、电磁阀等工 业控制领域也有着重要的应用。
金属的导电能力与其纯度、温 度、金属的种类等因素有关。
绝缘体的导电性
绝缘体通常具有较高的电阻，其导电 能力非常有限。
在特定条件下，绝缘体也可以转变为 导体，这种现象称为“导电性转变” 。
绝缘体的导电性能与其内部结构、分 子排列、电子亲和力等因素有关。
半导体的导电性
半导体的导电能力介于金属和绝 缘体之间，其电阻率可在较大范
电容和电感测量实验
总结词
电容和电感是表征材料存储电荷和传来自 磁场的能力的参数，通过电容和电感测 量实验可以深入了解材料的电磁性能和 物理性质。
VS
详细描述
在电容和电感测量实验中，通常采用电桥 法或交流阻抗谱法来测量材料的电容和电 感。该实验可以在不同温度、不同频率等 条件下进行，以研究材料电磁性能的变化 规律。此外，通过对比不同材料之间的电 容和电感差异，可以深入了解材料的物理 性质和潜在应用价值。
绝缘强度
衡量电介质在一定电场强度下保持绝 缘性能的能力，主要包括耐压强度、 漏电流和电气间隙等参数。
电介质的应用
电容器
利用电介质的介电常数来 储存电能，广泛用于电子 设备和电力系统中的滤波 、耦合和去耦等场合。

磁化过程
铁磁性物质在外部磁场的 作用下，磁畴的排列方向 逐渐趋于一致，最终达到 磁饱和状态。
磁性材料的应用
软磁材料
具有较高的磁导率和较小 的矫顽力，常用于制造变 压器、电机和电磁铁等。
硬磁材料
具有较高的矫顽力和永久 的剩磁，常用于制造各种 永磁体和扬声器等。
功能磁性材料
包括磁记录材料、磁电阻 材料、磁泡材料和磁光材 料等，广泛应用于信息存 储、检测和显示等领域。
PART 03
材料的电介质性质
电介质的极化现象
总结词
描述电介质在电场作用下的电荷位移和排列现象。
详细描述
当电介质置于电场中时，其内部原子或分子的正负电荷中心会发生相对位移， 形成电偶极子。这些电偶极子会沿着电场方向有序排列，导致电介质两端出现 束缚电荷，形成宏观的电偶极矩。
电介质的电导和损耗
总结词
电阻率受到多种因素的影响，包括材料 的种类、纯度、晶体结构、温度和压力 等。
VS
详细描述
不同材料的电阻率各不相同，这主要取决 于材料本身的性质，如金属的导电性能优 于绝缘体。此外，材料的纯度、晶体结构 和缺陷等也会影响其电阻率。温度和压力 的变化也会对电阻率产生影响，例如温度 升高会使金属的电阻率增大，而压力的增 加则可能导致半导体电阻率的减小。
电磁波折射
当电磁波从一种介质传播到另一种介 质时，会发生折射现象，折射角与入 射角和介质参数有关。
电磁波的应用
通信
加热与医疗
利用电磁波传递信息，如无线通信、 卫星通信等。
利用电磁波的能量进行加热或治疗， 如微波炉、微波治疗等。
雷达
利用电磁波探测目标，如雷达测距、 雷达制导等。
2023 WORK SUMMARY

第二章 材料的电学性能
1
整体概述
概况一
点击此处输入相关文本内容 点击此处输入相关文本内容
概况二
点击此处输入相关文本内容 点击此处输入相关文本内容
概况三
点击此处输入相关文本内容 点击此处输入相关文本内容
2
目录
2.1导体、绝缘体和半导体的划分 2.2金属的导电性 2.3半导体的电学性能 2.4电介质材料及其介电性能 2.5压电材料及其介电性能 2.6热释电材料及其介电性能 2.7铁电材料及其介电性能 2.8热电材料及其介电性能 2.9超导材料及其超导电性
经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学 的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的 概念来解决。
14
➢ 量子自由电子论
金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共 有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内 自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量 子力学原理 。（将量子力学观点引入电子理论）
自由电子占据空间服从泡利不相容原理； 能量分布按费米-狄拉克分布函数
15
由于在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只 有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的 更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去， 因为那些较高能级已经有别的电子占据着。这样，热激发的 电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论 推导出的比热可以解释实验结果。
金属固体
解决前面全 部问题
固体、晶体 10
➢ 经典自由电子论
金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整 个金属中自由运动。自由电子的运动遵守经典力学的运动规 律，遵守气体分子运动论。服从麦-玻（MaxwellBoltzmann)统计规律。

• 加上电场后，由于电场力的作用，使得晶体中间隙离子的 势垒不再对称。正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电 场方向“迁移”困难。
P顺60exp (U0U)/kT
P逆60exp (U0U)/kT
单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：
- P60exp (U0U)/kT 60exp(U0U)/kT
强度下，间隙离子单从电场中获得的能量不足以克服势垒 进行跃迁，因而热运动能是间隙离子迁移所需能量的主要 来源。
• 间隙离子的势垒变化
•
• 单位时间沿某一方向跃迁的次数 •
Pv60 expU ( 0/kT)
• 离子迁移与势垒U0的关系;ν0－间隙原子在半稳定位置上 振动频率
• 无外加电场时，各方向迁移的次数都相同，宏观上无电荷 的定向运动。故介质中无导电现象。
地增大。
• E与晶体结构有关，一般Es<Ef，只有结构很松，离子半 径很小的情况下，才容易形成弗仑克尔缺陷。
•
• （2）杂质电导的载流子浓度
• 杂质电导（extrinsic conduction）的载流子浓度决定于 杂质的数量和种类。由于杂质的存在，不仅增加了载流子 数，而且使点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温 下，离子晶体的电导主要是杂质电导。如在Al2O3晶体中 掺入MgO或TiO2杂质
• 杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）的运动造 成，由于杂质离子是弱联系离子，故在较低温度 下其电导也表现得很显著。
4.2.1 载流子浓度
(1)本征电导的载流子浓度 • 固有电导(本征电导)中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。
晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。 Frenker缺陷指正常格点的原子由于热运动进入晶格间隙， 而在晶体内正常格点留下空位。空位和间隙离子成对产生。 • 弗仑克尔缺陷：

v eEl / vme
j nev ne(eEl / vme ) (ne2l / vme )E
E
其中，电导率为： ne2l / vme = ne2t me
从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形 式，而且得到了电导率的表达式。
从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成 正比，与电子的平均自由程成正比。
22
❖ 容易想象温度越高，x2越大振幅愈大，振动愈激烈，因而对 周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与x2 成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即电阻R与绝对温度T 成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的 困难。
一、电阻和导电的基本概念 ❖ 电阻率
❖ 电导率
电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它 们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征 材料导电性的尺度。
根据材料导电性能好坏，可把材料分为：
❖ 导体 : ρ＜10-5Ω•m
❖ 半导体 : 10-3Ω•m ＜ ρ＜ 109Ω•m
❖ 绝缘体 : ρ＞ 109Ω•m ❖ 不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求 尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括：导电性能、超导电性、介电性、铁 电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料 电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法 以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
第三章 材料的电学性能
在许多情况下，材料的导电性能比材料的力学性能还要重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和 绝缘材料都是以材料的导电性能为基础。

② 临界磁场Hc ：T＜ Tc时，将超导体放入磁 场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超 导体被破坏而成为正常态。 Hc是破坏超导态 的最小磁场。
.
15
超导电性的三个重要性能指标：
③ 临界电流密度Jc ：如果输入电流所产生 的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超 导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。 H增加， Jc 必须相应地减小，以使磁场总 和不超过Hc 而保持超导态。 Jc 是材料保持 超导态的最大输入电流密度。
禁带：能隙的存在意味着禁止电 子具有A和B与C和D之间的能量， 能隙所对应的能带。
允带：电子可以具有的能级所组 成的能带。
允带与禁带相互交替，形成了材 料的能带结构。
.
8
(3)能带理论 空能级指允带中未被电子填满的能级。
导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在 外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。
.
16
超导电性的三个重要性能指标：
①临界转变温度Tc ② 临界磁场Hc ③ 临界电流密度Jc
.
17
上节回顾
1、掌握铁磁性的本质，铁磁体的两大特征， 磁畴结构的大小，磁化曲线和磁滞回线， 铁磁材料的性能指标。
2、利用能带结构分析材料的导电性差异。
3、熟悉超导体的概念，掌握超导体的两个 特征和三个性能指标。
不同材料的导电能力相差很大，这决定于结构 与导电本质。
.
4
二、导电机理
(1)经典电子理论
金属晶体中，自由电子定向运动时，要不断与正 离子发生碰撞，使电子受阻，这是产生电阻的原因。
(2)量子自由电子理论 金属中每个原子的内层电子保持着单个原子时
的能量状态，而所有价电子按量子化规律具有不同 的能量状态，即具有不同的能级。

费米分布函数
金属、半导体及绝缘体的比较
导带和价带重叠
半导体的禁带一般小 于 3 eV
绝缘体的禁带一般大于 5 eV
金属
特征：最高占有带仅部分充满，即除了满带外，存在 不满带。
绝缘体
特征：电子恰好填满了最低的一系列能带，能量更高的 能带都是空的，而且禁带很宽（5-10eV）。
半导体
特征：禁带宽度较窄（0.2-3eV）。
✓ 熔点低于任一组分的金属； ✓ 硬度大，耐磨损； ✓ 导电性低于任一组分的金属； ✓ 具有较强的抗腐蚀性。
由于合金的许多优于纯金属的性能，因而在实际应用 中多使用合金。
当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于 电场强度E，其比例常数σ即为电导率：
J E
电阻率ρ的倒数σ即为电导率，即σ=1/ρ，电导率 的单位为S/m或Ω-1·m-1。 工程上用相对电导率IACS%= σ/ σCu%表征导体材 料的导电性能。
国际标准软纯铜电导率
导体： ρ <10-3Ω·cm；绝缘体： ρ >108 Ω ·cm； 半导体： ρ 值介于10-3～108 Ω ·cm之间。
金属中的电阻
实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输
运过程中的散射：
电子—电子(电子散射) 电子—声子(声子散射)
0 K下为 零
基本电阻
电子与杂质原子 残余电阻 电子与晶体点阵静态缺陷的相互作用
理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关。
导电机制
由经典自由电子理论得到：
由能带理论得到：
ne2
2m
nef e2 2m*
m* 为考虑晶体点阵对电场作用后电子的有效质量 lF 为Fermi面附近电子的平均自由程源自nef e2 2m*

电介质的损耗
电介质损耗
电介质在电场作用下，由于电导和极化的原因，将电能转换为热 能的现象。
损耗与电介质性能的关系
损耗的大小反映了电介质的导电和极化能力，是评估电介质性能的 重要参数。
损耗的测量方法
通过测量电介质在交流电场下的功率损耗或相位角来计算。
电介质的击穿
01
02
03
击穿
当电场强度足够高时，电 介质丧失其绝缘性能的现 象。
热电材料的应用
温差发电
利用热电材料将热能转 化为电能。
温度传感器
利用热电材料对温度的 敏感性，检测温度变化
。
热电制冷
利用热电材料的皮尔兹 效应实现制冷效果。
航天器热控
利用热电材料调节航天 器内部温度。
热电材料的发展趋势
高性能热电材料研究
提高热电材料的转换效率，降 低成本。
多功能化
开发具有多种功能的热电材料 ，如导热、导电、发光等。
材料的电学性能研究历史与现状
材料的电学性能研究始于19世纪初， 随着电子学的兴起和发展，逐渐成为 一门独立的学科。
随着新材料和新技术的发展，材料的 电学性能研究将不断深入，为电子器 件和集成电路的发展提供更多的理论 和技术支持。
目前，材料的电学性能研究已经取得 了长足的进展，涉及的研究领域不断 扩大，研究手段和方法也日益丰富和 先进。
材料的电学性能课件
目录
CONTENTS
• 引言 • 材料的导电性能 • 材料的介电性能 • 材料的磁学性能 • 材料的铁电性能 • 材料的热电性能
01 引言
材料的电学性能定义
材料的电学性能是指材料在电场 作用下的各种物理性质，包括导 电性、电阻、电导率、电场效应

“雪崩”电击穿理 论
“雪崩”电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍 增到一定数值作为电击穿判据。
“雪崩”电击穿和本征电击穿在理论上有明显 的区别：
本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破 坏后突然发生的，而“雪崩”击穿是考虑到高 场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受 的程度，最终介质晶格破坏。
热击穿
电压增加的速度、加压的时间、电极与试样的 情况
电击穿
固体电击穿理论是在气体放电的碰撞 电离理论基础上建立的。
▪本征电击穿理论 ▪“雪崩”电击穿理 论
本征电击穿理论
❖ 与介质中自由电子有关，室温下即可发生，发 生时间很短(10-8～10-7s)。
❖ 介质中的自由电子的来源： （１）杂质或缺陷能级； （２）价带。
理想电介质：Φ=π/2 实际电介质：Φ＜π/2， Φ=π/2-δ
单位体积电介质：
二、电介质损耗
➢介质损耗角—tan δ：意义 在于：有功电流密度和无功 电流密度之比，其值越大， 介质损耗越大
➢品质因素Q值： Q=1/tan δ，材料的一个本征性质。
二、电介质损耗
2、电介质损耗的微观机理
电导（漏导）损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导 损耗。（束缚较弱的带电质点的宏观运动引起的能量损耗） （交变电场频率很低时）
表面电阻率：表示介质抵抗表面漏电的性能，与材料的表 面状况及周围环境志力，就自然而然地会有能耐、机灵和知识。2、你们应该培养对自己，对自己的力量的信心，百这种信心是靠克服障碍，培养意志和锻炼意志而获得的。 3、坚强的信念能赢得强者的心，并使他们变得更坚强。4、天行健，君子以自强不息。5、有百折不挠的信念的所支持的人的意志，比那些似乎是无敌的物质力量有更强大 的威力。6、永远没有人力可以击退一个坚决强毅的希望。7、意大利有一句谚语：对一个歌手的要求，首先是嗓子、嗓子和嗓子……我现在按照这一公式拙劣地摹仿为：对 一个要成为不负于高尔基所声称的那种“人”的要求，首先是意志、意志和意志。8、执着追求并从中得到最大快乐的人，才是成功者。9、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 10、发现者，尤其是一个初出茅庐的年轻发现者，需要勇气才能无视他人的冷漠和怀疑，才能坚持自己发现的意志，并把研究继续下去。11、我的本质不是我的意志的结果， 相反，我的意志是我的本质的结果，因为我先有存在，后有意志，存在可以没有意志，但是没有存在就没有意志。12、公共的利益，人类的福利，可以使可憎的工作变为可 贵，只有开明人士才能知道克服困难所需要的热忱。13、立志用功如种树然，方其根芽，犹未有干；及其有干，尚未有枝；枝而后叶，叶而后花。14、意志的出现不是对愿 望的否定，而是把愿望合并和提升到一个更高的意识水平上。15、无论是美女的歌声，还是鬓狗的狂吠，无论是鳄鱼的眼泪，还是恶狼的嚎叫，都不会使我动摇。16、即使 遇到了不幸的灾难，已经开始了的事情决不放弃。17、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。18、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下 去。19、意志若是屈从，不论程度如何，它都帮助了暴力。20、有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。21、意志坚强，就会战胜恶运。22、只有刚强的人，才有神 圣的意志，凡是战斗的人，才能取得胜利。23、卓越的人的一大优点是：在不利和艰难的遭遇里百折不挠。24、疼痛的强度，同自然赋于人类的意志和刚度成正比。25、能 够岿然不动，坚持正见，度过难关的人是不多的。26、钢是在烈火和急剧冷却里锻炼出来的，所以才能坚硬和什么也不怕。我们的一代也是这样的在斗争中和可怕的考验中 锻炼出来的，学习了不在生活面前屈服。27、只要持续地努力，不懈地奋斗，就没有征服不了的东西。28、立志不坚，终不济事。29、功崇惟志，业广惟勤。30、一个崇高 的目标，只要不渝地追求，就会居为壮举；在它纯洁的目光里，一切美德必将胜利。31、书不记，熟读可记；义不精，细思可精；惟有志不立，直是无着力处。32、您得相 信，有志者事竟成。古人告诫说：“天国是努力进入的”。只有当勉为其难地一步步向它走去的时候，才必须勉为其难地一步步走下去，才必须勉为其难地去达到它。33、 告诉你使我达到目标的奥秘吧，我唯一的力量就是我的坚持精神。34、成大事不在于力量的大小，而在于能坚持多久。35、一个人所能做的就是做出好榜样，要有勇气在风 言风语的社会中坚定地高举伦理的信念。36、即使在把眼睛盯着大地的时候，那超群的目光仍然保持着凝视太阳的能力。37、你既然期望辉煌伟大的一生，那么就应该从今 天起，以毫不动摇的决心和坚定不移的信念，凭自己的智慧和毅力，去创造你和人类的快乐。38、一个有决心的人，将会找到他的道路。39、在希望与失望的决斗中，如果 你用勇气与坚决的双手紧握着，胜利必属于希望。40、富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈。41、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。42、生命里最重 要的事情是要有个远大的目标，并借助才能与坚持来完成它。43、事业常成于坚忍，毁于急躁。我在沙漠中曾亲眼看见，匆忙的旅人落在从容的后边；疾驰的骏马落在后头， 缓步的骆驼继续向前。44、有志者事竟成。45、穷且益坚，不坠青云之志。46、意志目标不在自然中存在，而在生命中蕴藏。47、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。 48、思想的形成，首先是意志的形成。49、谁有历经千辛万苦的意志，谁就能达到任何目的。50、不作什么决定的意志不是现实的意志；无性格的人从来不做出决定。我终 生的等待，换不来你刹那的凝眸。最美的不是下雨天，是曾与你躲过雨的屋檐。征服畏惧、建立自信的最快最确实的方法，就是去做你害怕的事，直到你获得成功的经验。 真正的爱，应该超越生命的长度、心灵的宽度、灵魂的深度。生活真象这杯浓酒，不经三番五次的提炼呵，就不会这样可口！人格的完善是本，财富的确立是末能力可以慢 慢锻炼，经验可以慢慢积累，热情不可以没有。不管什么东西，总是觉得，别人的比自己的好！只有经历过地狱般的折磨，才有征服天堂的力量。只有流过血的手指才能弹 出世间的绝唱。对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。第一个青春是上帝给的；第二个的青春是靠自己努力的。不要因为寂寞而恋爱，孤独是为了幸福而 等待。每天清晨，当我睁开眼睛，我告诉自己：我今天快乐或是不快乐，并非由我所遭遇的事情造成的，而应该取决于我自己。我可以自己选择事情的发展方向。昨日已逝，