第二章;材料的电学性能(热电性).教学文稿
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第二章 材料的电学性能(二)
接触电位形成的原因之二： 两种金属的自由电子密度不同 电子发生扩散 形成空间电场 扩散和漂移相互竞争 达到平衡状态 形成一定的电位差
金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。
2.11.2 金属-半导体的接触电效应
1. 半导体存在表面势 2. 金属电子的逸出功和半导体存在表面势不同 3.金属-半导体接触。 4.发生扩散 5. 在金属和半导体间形成电位差
第II类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物 及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于： 1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合 态） 2)第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有； 3)第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场。
超导体的完全抗磁性机理：
这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应 电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所产 生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反， 因而使超导体内的合成磁场为零。 因此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故 称抗磁感应电流或屏蔽电流。
2.10.3 超导电性的影响因素和基本临界参数
2.9.5 电介质的介电损耗
介质损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发 热现象，表明部分电能已转化为热能耗散掉，这 种介质内的能量损耗。其损耗原因是电导作用和 极化作用引起。
2.10 超导电性
2.10.1 超导电性的发现与进展 什么是超导体？
1. 零电阻 将超导体冷却到某一临界温度 （TC）以下时电阻突然降为零的现 象称为超导体的零电阻现象。不同 超导体的临界温度各不相同。1911 年昂纳斯首先发现，汞在低于临界 温度4.15K时电阻变为零。
2.9 绝缘体的电学性能
2.9.1 电介质的极化
金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。
2.11.2 金属-半导体的接触电效应
1. 半导体存在表面势 2. 金属电子的逸出功和半导体存在表面势不同 3.金属-半导体接触。 4.发生扩散 5. 在金属和半导体间形成电位差
第II类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物 及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于： 1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合 态） 2)第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有； 3)第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场。
超导体的完全抗磁性机理：
这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应 电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所产 生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反， 因而使超导体内的合成磁场为零。 因此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故 称抗磁感应电流或屏蔽电流。
2.10.3 超导电性的影响因素和基本临界参数
2.9.5 电介质的介电损耗
介质损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发 热现象，表明部分电能已转化为热能耗散掉，这 种介质内的能量损耗。其损耗原因是电导作用和 极化作用引起。
2.10 超导电性
2.10.1 超导电性的发现与进展 什么是超导体？
1. 零电阻 将超导体冷却到某一临界温度 （TC）以下时电阻突然降为零的现 象称为超导体的零电阻现象。不同 超导体的临界温度各不相同。1911 年昂纳斯首先发现，汞在低于临界 温度4.15K时电阻变为零。
2.9 绝缘体的电学性能
2.9.1 电介质的极化
材料物理性能课程中热电性教学设计
材料物理性能课程中热电性教学设计作者：郑赣鸿何刚戴振翔丁宗玲阚绪材马永青来源：《高教学刊》2022年第19期摘要：热电性能是材料物理性能课程中非常重要的一节，在许多材料物理性能的书籍中都有这一部分内容。
文章针对材料物理性能课程中的热电性课程进行教学设计，首选对教学内容和学生特点进行分析，并指定教学目标。
根据教学目标对教学内容做时间的分配，制订教学的流程和方法。
通过教学流程中的看现象、辨本质、探性能以及微课题四个环节进行课程设计。
最后对本次课程教学进行总结、反思。
关键词：材料的热电性能;课程设计;热电性能中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）19-0078-04Abstract： Thermoelectric Performance is a very important section in the course of Physical Properties of Materials， which is included in many books about physical properties of materials. In this paper， the teaching design of thermoelectricity course in the course of Physical Properties of Materials is carried out. At first， we analyze the teaching content and students' characteristics， and specify the teaching objectives. According to the teaching objectives， the teaching content is allocated time， and the teaching process and methods are formulated. The course is designed through four links in the teaching process： watching phenomenon， distinguishing essence， exploring performance and setting micro topic. Finally， the teaching of this course is summarized and reflected.Keywords： Material Physical Properties; teaching design; thermoelectric performance一、教學内容的特点热电性是材料物理性能课程中重要的一节。
第二章材料的电学性能热电性
塞贝克效应：当两种不同的导体组 成一个闭合回路时，若在两接头处 存在温度差则回路中将有电势或电 流产生，这种现象称为塞贝克效应。
产生的电流称为热对流，电势称为 热电势
影响热电势的因素 1、合金元素
随合金浓度的增加而降低 形成化合物时，合金的电阻率要发生跃变 2、组织转变的影响 马氏体是无扩散转变，钢的成分无变化，A和M热 电势差别较大，马氏体热电势较大，而奥氏体热 电势较小
处发生自由电子的扩散，当电场力与扩散力达到平衡时所形成的电位 差
刚开始时由于两种材料电子密度不同产生扩散（扩散力），随着电子 的扩散，会产生电场，形成电场力，电场力阻止电子运动，当电场力 与扩散力达到平衡时，会形成一电位差
玻尔贴效应：当电流通过两种不同的导体所组成的 回路时，在两种材料接头处分别产生吸热和放热 现象。
原：接触电位差对电子的定向移动有加速的作 用，加速电子与接头处附近的原子相撞，把动能 传给原子，原子运动加剧，因而放热。
相反则吸热
与温度的关系：
温度越高，则两种金属自由电子密度差越大，接触 电势则越大
是在两种不同材料中产生的
二、汤姆逊效应（一种材料中产生）
汤姆逊电势（温度电位差）:在一根均匀导体中，由于两端 温度不同，导致导体两端电子密度不同，形成电子密度梯 度，产生电子扩散，当电场力与扩散力达平衡时形成的电 位差叫汤姆逊电势
汤姆逊效应：当电流通过具有一定梯度的导体时，会 有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向 和温度梯度方向而定。此种效应称为汤姆逊效应。
三、塞贝克效应（玻尔贴效应和汤姆 逊效应综合效应）
两种不同材料相接触产生的热效应（玻尔贴） 一种材料由于两端温度不同产生的热效应（汤姆逊） 两种不同的材料相接触，两端温度不同，则产生塞贝克效应。 塞贝克效应是玻尔贴和汤姆逊效应的综合效应
第二章 材料的电学性能(下)
第二章 材料的电学性能
下半部分
电位升高 电子能级降低 （费米能级）
接触前：逸出功小的电子能量大；反之，电子能量小 接触后：电子从能量大的状态向能量较低处过渡，两金属费米能级 持平，并且形成内建电场阻止电子进一步的扩散。
第一节 接触电性 接触电效应，是指两种不同材料接触时引起的与它们未接触 独立存在时不同的电效应。它是相当广泛的一类效应，包括 金属-金属、金属-半导体、金属-电解液、P型-N型半导体、 金属-氧化物-半导体（MOS）接触等众多的效应。其本质是 载流子在不同的物体接触状态下表现出的各种效应。 (1) 金属-金属接触电效应 金属电子的逸出功:
固体受光照后从其表面逸出电子的现象称为外光电效应。 光具有波粒二象性，外光电效应乃是光的粒子（光子）性的表现。
光生伏特效应 半导体受光照时产生电动势（或电位差）的现象称为光生伏特效应。
（a）丹倍效应
（2）内光电效应 光电导效应
光生伏特效应
光电导效应
半导体受光辐射，电导率增加而变得易于导电， 此现象称为光电导效应。
未加外场，各畴的电偶极矩取向不同， 因此宏观极化强度为0； 在外场作用下，也称人工极化（驻极） 后，每个晶粒趋于单畴化，并且电偶极 矩尽可能平行外电场方向。
第六节 光电性 某些物质受到光照后，引起物质电性发生变化，这种光致
电变的现象称为光电性。 光子——被吸收，或改变频率与方 向；电子----发生能量和状态的变化。 （1）外光电效应
P、N型半导体交界处形成空 间电荷层及内建势场。 空间电荷层相当于一个势垒，多 子要想进入极性相反另一区域必 须提供能量。
光子在P区、结区、N区产生光 生电子-空穴对，在内建电场的 作用下，如果少子扩散距离x小 于其扩散长度Ln，少子漂移到 结的两边，建立一个与原内建 场相反的电位差。
下半部分
电位升高 电子能级降低 （费米能级）
接触前：逸出功小的电子能量大；反之，电子能量小 接触后：电子从能量大的状态向能量较低处过渡，两金属费米能级 持平，并且形成内建电场阻止电子进一步的扩散。
第一节 接触电性 接触电效应，是指两种不同材料接触时引起的与它们未接触 独立存在时不同的电效应。它是相当广泛的一类效应，包括 金属-金属、金属-半导体、金属-电解液、P型-N型半导体、 金属-氧化物-半导体（MOS）接触等众多的效应。其本质是 载流子在不同的物体接触状态下表现出的各种效应。 (1) 金属-金属接触电效应 金属电子的逸出功:
固体受光照后从其表面逸出电子的现象称为外光电效应。 光具有波粒二象性，外光电效应乃是光的粒子（光子）性的表现。
光生伏特效应 半导体受光照时产生电动势（或电位差）的现象称为光生伏特效应。
（a）丹倍效应
（2）内光电效应 光电导效应
光生伏特效应
光电导效应
半导体受光辐射，电导率增加而变得易于导电， 此现象称为光电导效应。
未加外场，各畴的电偶极矩取向不同， 因此宏观极化强度为0； 在外场作用下，也称人工极化（驻极） 后，每个晶粒趋于单畴化，并且电偶极 矩尽可能平行外电场方向。
第六节 光电性 某些物质受到光照后，引起物质电性发生变化，这种光致
电变的现象称为光电性。 光子——被吸收，或改变频率与方 向；电子----发生能量和状态的变化。 （1）外光电效应
P、N型半导体交界处形成空 间电荷层及内建势场。 空间电荷层相当于一个势垒，多 子要想进入极性相反另一区域必 须提供能量。
光子在P区、结区、N区产生光 生电子-空穴对，在内建电场的 作用下，如果少子扩散距离x小 于其扩散长度Ln，少子漂移到 结的两边，建立一个与原内建 场相反的电位差。
热电材料的电学特性与性能研究
热电材料的电学特性与性能研究第一章绪论随着能源危机日益严峻，热电材料作为一种高效、环保的能源转换材料，备受学术界和工业界的关注。
热电材料是指在温差、压差或辐射场下，可将热能直接转换成电能或电能直接转换成热能的一类材料。
热电材料具有很大的应用前景，可用于制造纳米发电机、发电面料、路面车流能够资源回收等废件、低功耗电源等。
第二章热电材料的基本电学特性热电材料能够将温差转换成电能，是因为材料中的载流子（即电子和空穴）在温度梯度下发生浓度梯度，进而产生了载流子浓度差。
热电材料的电学特性主要包括电导率、霍尔系数、Seebeck 系数三个方面。
1.电导率电导率是指电场中单位长度内电流密度与电场强度之比。
针对热电材料而言，电流密度由载流子的扩散运动与漂移运动产生，而载流子扩散速度与漂移速度对应的电场强度则分别称为扩散电场和漂移电场。
因此，电导率的表达式为：σ= nqμ+ D其中，σ为电导率，n为载流子浓度，q为电荷量，μ为电子迁移率，D为扩散系数。
热电材料的电导率与载流子浓度、电子迁移率和扩散系数有关，其中的扩散系数则与扩散能垒相关。
2. 霍尔系数霍尔系数是指针对于磁场作用下热电材料产生的电场强度与磁场强度之比。
在外加磁场下，载流子将会受到洛伦兹力的作用，产生在和热电势之间作用的电场，这个效应便称为霍尔效应。
霍尔系数和载流子的电荷量和性质有关，在材料表面裸露的载流子霍尔系数比在体内霍尔系数高，并且随着沟道宽和载流子浓度的增加而减小。
3. Seebeck系数Seebeck系数是指在温差作用下，热电材料中电子能级发生变化后引起的电势差与温差之比。
More基于Thomson效应指出Seebeck系数可表达为：S= Vk- VT其中，Vk为载流子漂移速度（或漂移电场强度），VT为制热部分的电子温度。
由此，可以得出Seebeck系数反比于载流子迁移率的推论。
第三章热电材料的性能研究热电材料的性能研究主要包括制备及优化研究与热电性能测试研究两大方面。
热电材料的电学性能
一、 实验目的1. 通过实验了解热电材料的Seebeck 系数和电阻率的测定方法；2. 测量在特定温度范围内热电材料电学电学性能随温度的变化关系；3. 结合实验结果分析并热电材料电功率因子与温度的关系。
二、 实验原理1. 塞贝克系数塞贝克效应是材料的一个物理性能，是一种由电流引起的可逆热效应或者说是温度差引起的电效应，其示意图如下:对于两种不同的导体串联组成的回路，在导体b 的开路位置y 和z 之间，将会有一个电位差，称为热电动势，数值是：yz ab 12V ()T T α=-，当∆T 不是很大时，ab α为常数，定义为两种导体的相对Seebeck 系数，即 0lim //ab yz yz T V T dV dT α∆→=∆=（1）Seebeck 系数常用的单是uV/K,Seebeck 系数的测量原理如下图所示，1、3和2、4分别是NiCr 和NiSi 热电偶臂。
测量时两段温差保持10℃，S 两端存在温差时会产生热电势差Vs ，相对于热电偶的其中一个电偶臂1、3的Seebeck 系数为13//sa s V T V T α=∆=∆2.电阻率从原理上讲，对电阻为R，长度为L，截面积为A的样品，电导率ρ=R(A/L)。
然而，由于半导体热电材料通常电阻率较小，接触电阻相对较大，容易引入实验误差。
实验中电阻率的测定采用下图所示的两探针原理以避免接触电阻的影响。
电阻率测量在试样两端等温进行，当△T足够小时，才对样本施加测试电流，这是电阻R=V R/I const，V R为样品两端电压探针的电压降，I const为恒流源电流，取一特定值。
为消除附加的Seebeck电压影响，试验通过改变电流方向进行两次电压测量，取其平均值。
得R值后，有公式ρ=R(A/L)算出其电阻率。
三、实验设备与装备测量装置温度由AI-708P智能控制器控制。
样品两端电压利用Agilent970A数据采集仪输入微机。
所用电源为恒流源。
测量时抽真空以防样品氧化。
《材料的热电性质》课件
电导率（Electrical Conductivity）是衡量材料导电 性能的参数，表示材料中自由电荷的流动能力。
热导率和电导率对热电材料的性能也有重要影响， 良好的导热和导电性能有助于提高热电转换效率。
ZT值
02
01
03
ZT值（ZT Value）是衡量热电材料综合性能的参数， 由塞贝克系数、电导率和热导率共同决定。
热电效应的应用
热电材料可以用于温差发电、温度传感器、红外探 测器等领域。
热电效应的应用
80%
温差发电
利用塞贝克效应，可以将热能转 换为电能，用于太阳能发电、地 热发电等领域。
100%
温度传感器
利用皮尔兹效应，可以制作高灵 敏度的温度传感器，用于测量温 度、监控工业生产过程等。
80%
红外探测器
利用热电材料可以制作红外探测 器，用于军事侦察、环境监测等 领域。
详细描述
热电效应的微观解释可以从能带结构的角度来理解。当温度 梯度存在时，能带结构发生变化，导致电子和空穴的迁移率 不同，从而产生电动势或热量。此外，热激发引起的电子和 空穴的迁移也是热电效应的重要机制。
03
热电材料的种类与特性
金属类热电材料
总结词
具有较高的热电性能，常用于制造高 效热电转换装置。
皮尔兹系数的值越大，表示材料在热电转换过程中能够吸收或释放的热量越多，制冷或制热效果越明显 。
皮尔兹系数的测量方法是在热电材料两端施加电流，测量由此产生的温差，从而计算出皮尔兹系数。
热导率与电导率
热导率（Thermal Conductivity）是衡量材料导热 性能的参数，表示材料在单位时间内通过单位面积 的热量。
电子冷却
通过将电子器件产生的热量转换为电能并 排放到外界，可以实现电子器件的冷却， 提高其稳定性和寿命。
热导率和电导率对热电材料的性能也有重要影响， 良好的导热和导电性能有助于提高热电转换效率。
ZT值
02
01
03
ZT值（ZT Value）是衡量热电材料综合性能的参数， 由塞贝克系数、电导率和热导率共同决定。
热电效应的应用
热电材料可以用于温差发电、温度传感器、红外探 测器等领域。
热电效应的应用
80%
温差发电
利用塞贝克效应，可以将热能转 换为电能，用于太阳能发电、地 热发电等领域。
100%
温度传感器
利用皮尔兹效应，可以制作高灵 敏度的温度传感器，用于测量温 度、监控工业生产过程等。
80%
红外探测器
利用热电材料可以制作红外探测 器，用于军事侦察、环境监测等 领域。
详细描述
热电效应的微观解释可以从能带结构的角度来理解。当温度 梯度存在时，能带结构发生变化，导致电子和空穴的迁移率 不同，从而产生电动势或热量。此外，热激发引起的电子和 空穴的迁移也是热电效应的重要机制。
03
热电材料的种类与特性
金属类热电材料
总结词
具有较高的热电性能，常用于制造高 效热电转换装置。
皮尔兹系数的值越大，表示材料在热电转换过程中能够吸收或释放的热量越多，制冷或制热效果越明显 。
皮尔兹系数的测量方法是在热电材料两端施加电流，测量由此产生的温差，从而计算出皮尔兹系数。
热导率与电导率
热导率（Thermal Conductivity）是衡量材料导热 性能的参数，表示材料在单位时间内通过单位面积 的热量。
电子冷却
通过将电子器件产生的热量转换为电能并 排放到外界，可以实现电子器件的冷却， 提高其稳定性和寿命。
第二章_材料的电学性能4 武汉理工大学出版社
电偶极矩：
e e E
e 4 0r
3
电子位移极化率：
结论：电子位移极化产生的偶极矩的大小与原子半径、价 电子数目以及外加电场有关。 电子位移极化的特点： a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为ε与频 率无关； b)具有弹性，没有能量损耗。 c)温度对电子式极化影响不大。
时间, 且是非弹性的，需要消耗一定的能量。
包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化
电子位移极化 感应电矩 ห้องสมุดไป่ตู้偶极子 离子位移极化
固有电矩
固有电矩取向极化
（1）电子位移极化：
正负电荷中心重合的分子或原子受电场作用时，正、 负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、 负电荷中心分离的物理过程)，中性分子则转化为偶极 子，这种过程就是电子云位移极化。电子云位移极化 存在于一切气体、液体及固体介质中。
退极化场：由感应电荷所产生的场强 E 0 束缚电荷的面密度
电介质极板上的电荷面密度：由于在极化过程中两极板间的 场强
E V 保持不变，所以两极板之间的电荷必须得到补 d
充，以补偿电介质中极化电荷的抵消作用。此时极板上的电 荷面密度增加到： 0
( 0 ) A A C C0 V V V 平板电容器的电容量为：
电介质基本概念
电介质与绝缘体
绝缘体：电阻率大于 108Ω· m，是一种能够承受较强电场 的电介质材料。 电介质：具有绝缘性，在电场下具有极化能力，并且能 够长期存在电场的物质。 电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷在电场 （包括电频电场和光频电场）作用下的电极化过程；阐 明其电极化规律与介质结构的关系；揭示其宏观介电性 质的微观机制，进而发展电介质的效用。
材料的电学性能PPT
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*
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*
材料的电学性能课件
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
第二章 材料的电性能
3) 金属熔化时，电阻增高 金属熔化时，电阻增高1.5-2倍，金属原子 倍 规则排列遭到破坏，增加了对电子散射。 规则排列遭到破坏，增加了对电子散射。 如右图： ， 正常 如右图：K，Na正常 反常， 但Sb反常，共价键变为金属键 反常 铁磁性金属有时发生反常。 铁磁性金属有时发生反常。 Tc: 居里点 铁磁性金属内d及s壳层电子云相互作用的特 铁磁性金属内 及 壳层电子云相互作用的特 点决定的
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
纯金属： 冷加工后纯金属的电阻率增加2%-6%， 纯金属： 冷加工后纯金属的电阻率增加 ， W的电阻增加 的电阻增加30%，Mo增加 增加15-20% 的电阻增加 ， 增加 固溶体： 一般增加10%-20% 固溶体： 一般增加 有序固溶体： 有序固溶体：100%
有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。 有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。
原因： 原因： 金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化， 金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化，大部分金 属电阻率是下降的。 属电阻率是下降的。
+ ∆ρ位错
∆ρ = Aε + Bε
n
空位
∆ρ = Cε
n
m
位错
m，n在0-2之间变化。 ， 在 之间变化 之间变化。
空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。前二者的作用远超过后者。 空位，间隙原子及它们的组合， 位错使金属电阻增加。前二者的作用远超过后者。
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
反常：Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等形成 等形成K 反常： 等形成 状态，电阻率降低。 状态，电阻率降低。
南昌大学材料性能学重点 材料电学性能
第二章材料电学性能内容概要：本章介绍金属的导电机理，以及影响金属导电的因素，导电率的测量方法及其它材料的电学性质。
具体内容和学时安排如下：第一节导电性能及本质要求学生掌握导电的三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
这三大理论的成功或不足点。
理解自由电子、能级和能带、周期性势场、能带密度、K空间的概念。
第二节金属导电性能影响因素理解温度、相变、应力和热处理（淬火和退火）对材料导电性能的影响。
第三节合金的导电性能理解固溶体和化合物的导电性第四节电阻率的测量电阻率的测量方法有单电桥法；双电桥法；电子四探针法。
重点要求掌握单电桥法。
第五节电阻分析应用根据电阻率与温度的线性关系，可来研究材料的相变，材料的组织结构变化。
第六节超导电性掌握超导的两大性能：完全导电性和完全抗磁性。
掌握超导态转变为正常态的三个条件：临界温度；临界电流；临界磁场。
超导的本质－BCS理论。
第七节材料的热电性能了解三大热电现象：第一热导效应、第二热电效应、第三热电效应。
第八节半导体导电性的敏感效应了解半导体能带结构特点；半导体导电有本征导电和杂质导电;实现导电的条件。
第九节介电极化与介电性能掌握电介质极化机理和介电常数的本质第十节电介质的介电损耗了解电介质的能量损耗。
（共12个学时）第一节 导电性能及本质材料的电学性能是指材料的导电性能，与材料的结构、组织、成分等因素有关。
一、电阻与导电的概念Ｒ＝Ｕ/I R 不仅与材料的性质有关，还与材料的几何形状有关 。
SL R ρ=L 与材料的长度，ｓ与材料的横截面积，ρ为电阻率，单位为 m Ω∙ρσ1=值越小，a 值越大。
ρ 值愈小，σ值愈大。
纯金属：e 为10-8～10-7合金： 10-7～10-5半导体：10-3～109绝缘体：﹥109导电性能最好的金属是银、铜、金，其电阻率分别为1.5×10-8Ω⋅m 、1.73×10-8Ω⋅m 、等 二、导电机理及能带理论关于材料的导电机理有三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
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答: 由图中曲线可看出，低温时热电势降低， 是由于Mg和Zn偏聚的结果，当偏聚到一 定程度时，热电势降到最低。由于偏聚 程度继续降低，热电势将增加。 当温度升高到一定程度时，由于析出第 二相Al2Mg2Zn3, 随温度的升高，析出 数量增大，热电势开始降低。 温度进一步升高析出相聚集将导致热电势 增加。
第二章;材料的电学性能(热电性).
一、玻尔贴效应（两种不同材料产生）
玻尔贴电势（接触电位差） 产生的原因：两种金属材料电子的逸出功不同
两种金属材料的电子密度不同 定义：两种不同的金属材料相接触时，由于各自电子密度的不同，接触
处发生自由电子的扩散，当电场力与扩散力达到平衡时所形成的电位 差
刚开始时由于两种材料电子密度不同产生扩散（扩散力），随着电子 的扩散，会产生电场，形成电场力，电场力阻止电子运动，当电场力 与扩散力达到平衡时，会形成一电位差
3、钢中含碳量及热处理的影响 含碳量相同时，淬火态碳固溶α-Fe中比退火态热电势显 著增加 同时淬火态，含碳量越大，热电势越大 同时退火态，渗碳体数量越多，热电势越大
有序化：热电势降低
4、压力的影响
应用：
四、热电分析
有一含WMg=4%, 含WZn=8%的铝合金， 淬火后在时效的过程中热电势随温度的 变化曲线如图示，试分析该合金100℃到 400℃连续加热的过程中热电势的随曲线 的变化情况，并分析原因。
三、塞贝克效应（玻尔贴效应和汤姆 逊效应综合效应）
两种不同材料相接触产生的热效应（玻尔贴） 一种材料由于两端温度不同产生的热效应（汤姆逊） 两种不同的材料相接触，两端温度不同，则产生塞贝克效应。 塞贝克效应是玻尔贴和汤姆逊效应的综合效应
塞贝克效应：当两种不同的导体组 成一个闭合回路时，若在两接头处 存在温度差则回路中将有电势或电 流产生，这种现象称为塞贝克效应。
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产生的电流称为热对流，电势称为 热电势
影响热电势的因素 1、合金元素
随合金浓度的增加而降低 形成化合物时，合金的电阻率要发生跃变 2、组织转变的影响 马氏体是无扩散转变，钢的成分无变化，A和M热 电势差别较大，马氏体热电势较大，而奥氏体热 电势较小
亚稳固溶体的析出 过饱和固溶体的实效或回火热电势的变化主要与第二相的 析出基体使合金元素的贫化；。 例如：回火时，温度越高，析出越多，铁与碳形成化合物， 固溶体含铁量越少（基体合金元素的贫化），热电势愈小
是在两种不同材料中产生的
二、汤姆逊效应（一种材料中产生）
汤姆逊电势（温度电位差）:在一根均匀导体中，由于两端 温度不同，导致导体两端电子密度不同，形成电子密度梯 度，产生电子扩散，当电场力与扩散力达平衡时形成的电 位差叫汤姆逊电势
汤姆逊效应：当电流通过具有一定梯度的导体时，会 有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向 和温度梯度方向而定。此种效应称为汤姆逊效应。
玻尔贴效应：当电流通过两种不同的导体所组成的 回路时，在两种材料接头处分别产生吸热和放热 现象。
原因：接触电位差对电子的定向移动有加速的作 用，加速电子与接头处附近的原子相撞，把动能 传给原子，原子运动加剧，因而放热。
相反则吸热密度差越大，接触 电势则越大
第二章;材料的电学性能(热电性).
一、玻尔贴效应（两种不同材料产生）
玻尔贴电势（接触电位差） 产生的原因：两种金属材料电子的逸出功不同
两种金属材料的电子密度不同 定义：两种不同的金属材料相接触时，由于各自电子密度的不同，接触
处发生自由电子的扩散，当电场力与扩散力达到平衡时所形成的电位 差
刚开始时由于两种材料电子密度不同产生扩散（扩散力），随着电子 的扩散，会产生电场，形成电场力，电场力阻止电子运动，当电场力 与扩散力达到平衡时，会形成一电位差
3、钢中含碳量及热处理的影响 含碳量相同时，淬火态碳固溶α-Fe中比退火态热电势显 著增加 同时淬火态，含碳量越大，热电势越大 同时退火态，渗碳体数量越多，热电势越大
有序化：热电势降低
4、压力的影响
应用：
四、热电分析
有一含WMg=4%, 含WZn=8%的铝合金， 淬火后在时效的过程中热电势随温度的 变化曲线如图示，试分析该合金100℃到 400℃连续加热的过程中热电势的随曲线 的变化情况，并分析原因。
三、塞贝克效应（玻尔贴效应和汤姆 逊效应综合效应）
两种不同材料相接触产生的热效应（玻尔贴） 一种材料由于两端温度不同产生的热效应（汤姆逊） 两种不同的材料相接触，两端温度不同，则产生塞贝克效应。 塞贝克效应是玻尔贴和汤姆逊效应的综合效应
塞贝克效应：当两种不同的导体组 成一个闭合回路时，若在两接头处 存在温度差则回路中将有电势或电 流产生，这种现象称为塞贝克效应。
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产生的电流称为热对流，电势称为 热电势
影响热电势的因素 1、合金元素
随合金浓度的增加而降低 形成化合物时，合金的电阻率要发生跃变 2、组织转变的影响 马氏体是无扩散转变，钢的成分无变化，A和M热 电势差别较大，马氏体热电势较大，而奥氏体热 电势较小
亚稳固溶体的析出 过饱和固溶体的实效或回火热电势的变化主要与第二相的 析出基体使合金元素的贫化；。 例如：回火时，温度越高，析出越多，铁与碳形成化合物， 固溶体含铁量越少（基体合金元素的贫化），热电势愈小
是在两种不同材料中产生的
二、汤姆逊效应（一种材料中产生）
汤姆逊电势（温度电位差）:在一根均匀导体中，由于两端 温度不同，导致导体两端电子密度不同，形成电子密度梯 度，产生电子扩散，当电场力与扩散力达平衡时形成的电 位差叫汤姆逊电势
汤姆逊效应：当电流通过具有一定梯度的导体时，会 有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向 和温度梯度方向而定。此种效应称为汤姆逊效应。
玻尔贴效应：当电流通过两种不同的导体所组成的 回路时，在两种材料接头处分别产生吸热和放热 现象。
原因：接触电位差对电子的定向移动有加速的作 用，加速电子与接头处附近的原子相撞，把动能 传给原子，原子运动加剧，因而放热。
相反则吸热密度差越大，接触 电势则越大