材料性能与测试材料的电性能学习教案

1、会计学1材料性能材料性能(xngnng)与测试材料的电性能与测试材料的电性能(xngnng)第一页，共62页。2 材料电学性能是材料物理性能的重要组成部分。材料电学性能是材料物理性能的重要组成部分。电流是电荷的定向运动，因此有电流必须有电荷输运电流是电荷的定向运动，因此有电流必须有电荷输运过程。电荷的载体称为载流子，可以是电子、空穴过程。电荷的载体称为载流子，可以是电子、空穴(kn xu)、离子；、离子； 由于工程技术领域对材料导电性能的不同要求，由于工程技术领域对材料导电性能的不同要求，相应的研制出不同电学性能的材料，如导体合金、精相应的研制出不同电学性能的材料，如导体合金、精密电阻合金、电

2、热合金、触点材料、半导体材料等；密电阻合金、电热合金、触点材料、半导体材料等；引 言 第1页/共61页第二页，共62页。39.1 材料(cilio)的导电性能9.2 材料的超导(cho do)性能目 录 9.4 材料(cilio)的热电性能9.5 材料压电性能与铁电性能材料压电性能与铁电性能 9.3 介质极化与介质损耗介质极化与介质损耗第2页/共61页第三页，共62页。4RVI/9.1 材料(cilio)的导电性能SLR 材料材料(cilio)(cilio)的导电性能指标的导电性能指标第3页/共61页第四页，共62页。5第4页/共61页第五页，共62页。6一、一、 金属金属(jnsh)及半导体

3、的导电机理及半导体的导电机理导电理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子理论量子电子理论能带理论导电理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子理论量子电子理论能带理论1、经典电子理论、经典电子理论 离子构成了晶格点阵离子构成了晶格点阵, 价电子是价电子是自由电子自由电子, 遵循经典力学气体分子遵循经典力学气体分子(fnz)的运动规律；自由电子定向运动中，的运动规律；自由电子定向运动中，不断与正离子发生碰撞，产生电阻；不断与正离子发生碰撞，产生电阻；金属的导电性取决于自由电子的数金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度；量、平均自由程和平均运动速度； 材料材料(cilio)(cili

4、o)的导电的导电机理机理vmlne22n电子密度；e电子电量；l平均自由程；v电子运动平均速度；m电子质量第5页/共61页第六页，共62页。71)1)不能解释一价金属导电性比二、三价金属好；不能解释一价金属导电性比二、三价金属好；2)2)实践证明，高温实践证明，高温TT，低温，低温T 5T 5。 3)3)自由电子的比热，实验值比理论值小很多。自由电子的比热，实验值比理论值小很多。4)4)经典经典(jngdin)(jngdin)理论不能解释超导现象理论不能解释超导现象 存在存在(cnzi)的缺陷的缺陷 ，可见理论与实际不符可见理论与实际不符 经典经典(jngdin)电子论在一定程度上解释了金属导

5、电的本质电子论在一定程度上解释了金属导电的本质用经典力学处理微观质点的运动，不能正确反映微观质点的运动规律用经典力学处理微观质点的运动，不能正确反映微观质点的运动规律第6页/共61页第七页，共62页。82、量子自由电子理论、量子自由电子理论 根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。电子是费米子，导电的只是根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。电子是费米子，导电的只是(zhsh)费米能级附近的电子，原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态，价电子按量子化具有不同的能级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波，有关系式：费米能级附近的电子，原子的内层电子保持着单个原子时的能量状

6、态，价电子按量子化具有不同的能级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波，有关系式： 一价金属中自由电子的动能一价金属中自由电子的动能 E K为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数 从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度(或动量或动量)之间的关系；从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；电子的波数越大，则能量越高；之间的关系；从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；电子的波数越大，则能量越高； 没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没有电流产生；没

7、有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没有电流产生；2222821222KmhmvEhphmvKphmvh图图9-1 自由电子自由电子(z yu din z)的的EK曲线曲线第7页/共61页第八页，共62页。9第8页/共61页第九页，共62页。10 在外加电场的作用下，使正在外加电场的作用下，使正反向运动的电子数不等，使金属反向运动的电子数不等，使金属导电，只有处于较高能态的自由导电，只有处于较高能态的自由电子参与导电；电子参与导电； 缺陷和杂质产生缺陷和杂质产生(chnshng)的静态点阵畸变和的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成

8、散射，形成电阻；电磁波造成散射，形成电阻；2*2*2222envmlenvmvmlenefFFefFFFefnef单位体积内实际参加传导的电子数；单位体积内实际参加传导的电子数；e电子电量；电子电量；l平均自由程；平均自由程；v电子运动电子运动(yndng)平均速度；平均速度；m*电子有效质量电子有效质量散射系数散射系数缺陷：假设离子(lz)势场均匀，不符合实际图图9-2 电场对电场对EK曲线曲线的影响的影响第9页/共61页第十页，共62页。11位移，为什么固体的导电性差别巨大？能带理论解决；价电子是公有化、能量量子化，和量子自由电子理论一致； 金属中由离子所造成的势场不是均匀金属中由离子所造

9、成的势场不是均匀(jnyn)的，这个势能不是的，这个势能不是常数，是位置的函数，采用单电子近似求解薛定锷方程，得出电子在常数，是位置的函数，采用单电子近似求解薛定锷方程，得出电子在晶体中的能量状态，将在能级的准连续谱上出现能隙，分为禁带和允晶体中的能量状态，将在能级的准连续谱上出现能隙，分为禁带和允带；价电子在金属中的运动要受到周期场的作用带；价电子在金属中的运动要受到周期场的作用;能带发生分裂，即有能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的某些能态是电子不能取值的;图图9-3 周期场中电子运动周期场中电子运动(yndng)的的对对EK曲线及能带曲线及能带第10页/共61页第十一页，共62页。

10、12图图9-4 能带填充能带填充(tinchng)情况示意图情况示意图第11页/共61页第十二页，共62页。13第12页/共61页第十三页，共62页。14 具有部分充填能带结构的晶体大都是导体；具有部分充填能带结构的晶体大都是导体；IA族碱金属族碱金属Li、Na、K、Rb、Se，IB族的族的Cu、Ag、Au，外层，外层s电子传导电子，每电子传导电子，每个原子只能给出一个价电子，价带只能填充半满。个原子只能给出一个价电子，价带只能填充半满。 二价元素，如二价元素，如A族碱土族碱土Be、Mg、Ca、Sr、Ba，B族族Zn、Cd、Hg，每个原子给出两个价电子，能带填满，每个原子给出两个价电子，能带填

11、满(tin mn)，应该是，应该是绝缘体，但是在三维晶体下，能带之间发生重叠，费米能级以上绝缘体，但是在三维晶体下，能带之间发生重叠，费米能级以上不存在禁带，因此也是金属；不存在禁带，因此也是金属； 三价元素三价元素Al、Ga、In、Tl每个单胞含一个原子，给出三个价每个单胞含一个原子，给出三个价电子，填满电子，填满(tin mn)一个带和一个半满带，也是金属；一个带和一个半满带，也是金属；As、Sb、Bi每个原子外围有每个原子外围有5个电子，原胞是个电子，原胞是2个原子，个原子，5个带填个带填10个电子全个电子全满，带中电子少，半金属，传导电子浓度只有满，带中电子少，半金属，传导电子浓度只有

12、1024/m3，比金属少，比金属少4个数量级。个数量级。第13页/共61页第十四页，共62页。15 四价元素比较特殊，导带是空的，价带完全填满四价元素比较特殊，导带是空的，价带完全填满(tin mn)，中间有能隙，中间有能隙Eg较小，较小，Ge、Si分别为分别为0.67eV和和1.14eV。室。室温下，价带电子受热激发进入导带，成为传导电子，温度增加温下，价带电子受热激发进入导带，成为传导电子，温度增加，导电性增加，因此低温下是绝缘体，室温下半导体。，导电性增加，因此低温下是绝缘体，室温下半导体。 离子晶体一般为绝缘体。例如离子晶体一般为绝缘体。例如NaCl晶体中晶体中Na的的3s电子电子移到

13、移到Cl中，中，3s轨道空，轨道空，Cl的的3p轨道满带，中间有轨道满带，中间有10eV的能的能隙，若激发不能使电子进入导带；隙，若激发不能使电子进入导带；(一般情况下绝缘体一般情况下绝缘体Eg3 eV)第14页/共61页第十五页，共62页。16金属非金属使用时间和人类文明同步，半导体应用是金属非金属使用时间和人类文明同步，半导体应用是2020世纪世纪5050年代开始年代开始(kish)(kish)，信息时代，信息时代 本征半导体：纯的半导体本征半导体：纯的半导体 杂质半导体：引入杂质后的半导体，杂质半导体：引入杂质后的半导体，n n、p p型型 本征半导体的电子本征半导体的电子空穴对是由热激

14、活产生的空穴对是由热激活产生的 杂质对半导体的导电性能影响很大杂质对半导体的导电性能影响很大 本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为半导体)2/exp(0kTEg00系数系数(xsh)(xsh)；EgEg禁带宽度；禁带宽度；k k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T T绝对温度；绝对温度；第15页/共61页第十六页，共62页。17晶体晶体Eg(eV)晶体晶体Eg(eV)C(金刚石)5.2-5.6CdS2.42PN4.8GaP2.25Ga2O34.6Cu2O2.1CoO4CdO2.1TiO23.1-3.8Te1.45Fe2O33.1GaSe1.4BaT

15、iO32.5-3.2Si1.1SiO22.8-3PbSe0.27-0.5ZnSe2.6PbTe0.25-0.3Al2O32.5PbS0.35本征半导体室温(sh wn)下的Eg第16页/共61页第十七页，共62页。18本征激发(jf) 绝对零度时，价电子无法绝对零度时，价电子无法(wf)(wf)挣脱共价键束缚，不导电；挣脱共价键束缚，不导电； 温度上升、光照时，热激发，产生电子空穴对，在电场作用下，形成电流。本征半导体的导电能力只取决于电子空穴对数量多少，和价电子数目多少无关。温度上升、光照时，热激发，产生电子空穴对，在电场作用下，形成电流。本征半导体的导电能力只取决于电子空穴对数量多少，和价

16、电子数目多少无关。第17页/共61页第十八页，共62页。19掺杂(chn z)半导体和PN结 掺入微量的五价元素掺入微量的五价元素(yun s)P(yun s)P、AsAs、锑，多余一个价电子处于共价键之外成为自由电子，杂质原子为正离子，、锑，多余一个价电子处于共价键之外成为自由电子，杂质原子为正离子，N N型；型； 掺入微量的三价元素掺入微量的三价元素(yun s)Al(yun s)Al、B B、InIn，少个价电子产生空穴，杂质原子为负离子，导电依靠空穴，少个价电子产生空穴，杂质原子为负离子，导电依靠空穴，P P型；型；正向导通，反向正向导通，反向(fn xin)击穿，击穿，Si管导通管导

17、通0.6-0.8V,Ge管管0.1-0.3V第18页/共61页第十九页，共62页。20三极管(结晶体管)和场效应管第19页/共61页第二十页，共62页。21 1、离子晶体导电、离子晶体导电 离子导电离子电荷载流子在电场的作用下定向流离子导电离子电荷载流子在电场的作用下定向流动；可以分为两类：一是源于晶体点阵中基本离子的动；可以分为两类：一是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子本征电导，热激活引起；二是源于晶运动，称为离子本征电导，热激活引起；二是源于晶体点阵中杂质体点阵中杂质(zzh)离子的运动，称为杂质离子的运动，称为杂质(zzh)电电导；导； 离子电导率和温度关系：离子电导率和温度关系：

18、 存在的多种载流子时，材料存在的多种载流子时，材料 的总电导率是各种电导率的的总电导率是各种电导率的 总和总和 二、无机非金属的导电二、无机非金属的导电(dodin)机理机理iikTBATBAhbenazAkTEAi)exp(ln2)exp(222第20页/共61页第二十一页，共62页。22 2、玻璃导电、玻璃导电(dodin) 常温下玻璃绝缘体，高温下电阻大大降低，有些成常温下玻璃绝缘体，高温下电阻大大降低，有些成为导体。硅化物玻璃，可移动的载流子是为导体。硅化物玻璃，可移动的载流子是SiO2基体中基体中的一价阳离子，如的一价阳离子，如Na离子。调整成分可以控制玻璃的离子。调整成分可以控制玻

19、璃的电阻率。电阻率。 目前许多的半导体玻璃、导电目前许多的半导体玻璃、导电(dodin)玻璃，如非晶硅玻璃，如非晶硅、ITO等，复合材料，其导电等，复合材料，其导电(dodin)机理是电子导机理是电子导电电(dodin)，和硅化物玻璃的导电，和硅化物玻璃的导电(dodin)机理不同机理不同。第21页/共61页第二十二页，共62页。23 常用的电导常用的电导(din do)(din do)功能材料功能材料一、导电一、导电(dodin)材料材料 传送电流而很小电能损失的材料，电力工业用的电线、电传送电流而很小电能损失的材料，电力工业用的电线、电缆为代表，包括强电弱电，如导电缆为代表，包括强电弱电，

20、如导电(dodin)涂料、胶粘带、涂料、胶粘带、透明导电透明导电(dodin)材料等；材料等；1、Cu及及Cu合金：电解铜，含量在合金：电解铜，含量在99.97-99.98%,可分为半硬可分为半硬铜铜(电导率电导率98%-99%), 硬铜硬铜(96-98%);杂质降低电导率，特别是杂质降低电导率，特别是氧，无氧铜性能稳定抗腐蚀延展性好，拉成细丝，适于海底氧，无氧铜性能稳定抗腐蚀延展性好，拉成细丝，适于海底电缆软线；电缆软线；2、Al及及Al合金：含量在合金：含量在99.6-99.8%, 相对电导率相对电导率61，仅次于，仅次于Ag、Cu、Au，密度只有，密度只有Cu的的1/3，160V以上高压

21、线用钢丝增以上高压线用钢丝增强强Al电缆、合金增强电缆、合金增强Al线；使用温度低于线；使用温度低于90；耐热；耐热Al合金合金可在可在150下工作，用作大容量高压输电线；超耐热下工作，用作大容量高压输电线；超耐热Al合金可合金可在在200下工作，变电站下工作，变电站第22页/共61页第二十三页，共62页。24二、电阻二、电阻(dinz)材料材料 电路设计需要，提供电路设计需要，提供(tgng)一定的电阻；如电热元件，传感器一定的电阻；如电热元件，传感器，有金属、碳素、半导体，形状各异，要求是电阻温度系数小，阻，有金属、碳素、半导体，形状各异，要求是电阻温度系数小，阻值稳定，电阻率适当，加工连

22、接容易值稳定，电阻率适当，加工连接容易1、精密电阻合金：锰铜合金、精密电阻合金：锰铜合金(电阻温度系数电阻温度系数20-10010-6/)，铜镍，铜镍合金含量合金含量(电阻温度系数电阻温度系数2010-6/)，均匀退火保证电学性能温度，均匀退火保证电学性能温度；2、电热合金：工作温度可达、电热合金：工作温度可达900-1350，镍铬合金、，镍铬合金、FeNiCr合金合金，FeCrAlCo等；等；3、高温加热元件和电极：主要在、高温加热元件和电极：主要在1500上使用，金属上使用，金属Pt可以在空可以在空气中使用至气中使用至1500，石墨、，石墨、Mo、W只能在还原气氛下使用，陶瓷只能在还原气氛

23、下使用，陶瓷电热元件电热元件(SiC、MoSi2、LaCrO3)可在空气中使用；可在空气中使用；第23页/共61页第二十四页，共62页。25三、电触点三、电触点(ch din)材料材料 电流通过两导体接触部分的电阻称为接触电阻，包括会聚电阻电流通过两导体接触部分的电阻称为接触电阻，包括会聚电阻(接接触面变小产生的触面变小产生的)、过渡电阻、过渡电阻(表面膜电阻表面膜电阻)； 触点材料主要是铂系材料，接触电阻稳定。触点材料主要是铂系材料，接触电阻稳定。Pt熔点熔点1764，高温时，高温时产生熔化粘结，加入产生熔化粘结，加入30-70的的Ir，形成，形成Pt-Ir合金，熔点高，抗氧化合金，熔点高，

24、抗氧化性好；性好；OsIr合金；合金； W熔点熔点3382，硬度高，但在空气中极易氧化，加工困难，硬度高，但在空气中极易氧化，加工困难(kn nn)。W-Ag合金用作大电流的继电器开关触点；合金用作大电流的继电器开关触点；W-Cu合金用于油合金用于油浸的断路开关；浸的断路开关； Ag熔点熔点960，99.8以上纯度的以上纯度的Ag，接触电阻非常小，用于小继，接触电阻非常小，用于小继电器触点；电器触点；6Pt-69Cu-25Ag合金可代替合金可代替Pt用于通讯电路中的触用于通讯电路中的触点材料；点材料； Cu价格便宜，广泛应用于继电器的触点，但表面易氧化，使用过价格便宜，广泛应用于继电器的触点，

25、但表面易氧化，使用过程中接触电阻增加，加入程中接触电阻增加，加入Ag改善；改善；Cu-Be合金用于频繁开关，如电气合金用于频繁开关，如电气机车的开关触点；机车的开关触点；第24页/共61页第二十五页，共62页。26金属电阻率随温度升高而增大金属电阻率随温度升高而增大 1）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大； 2）在德拜温度以上）在德拜温度以上(yshng)，电子是完全自由的，电子是完全自由的 完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动；金属的电阻取决于离

26、子的热振动；3）纯金属的电阻率与温度关系）纯金属的电阻率与温度关系 4）当温度较低）当温度较低(低于德拜温度低于德拜温度)时时 应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用，低温时，积应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用，低温时，积分值趋于常数，电阻率分值趋于常数，电阻率 T5 材料材料(cilio)(cilio)导电性影导电性影响因素响因素)1 (0TT一、温度一、温度(wnd)第25页/共61页第二十六页，共62页。27图图9-5 金属电阻金属电阻(dinz)温度温度曲线曲线图图9-6 锑、钾、钠熔化时电阻率锑、钾、钠熔化时电阻率变化变化(binhu)曲线曲线5）大多数金属在熔化成液态时，）大

27、多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约其电阻率会突然增大约1-2倍，原倍，原子长程排列被破坏子长程排列被破坏 )1 (0TT第26页/共61页第二十七页，共62页。28冷塑性变形使金属的电阻率增大冷塑性变形使金属的电阻率增大(zn d) 一般一般2-6，W增加增加30-50， Mo增加增加15-20；1）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加，降低点阵电场均匀性，加大电子散射；）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加，降低点阵电场均匀性，加大电子散射；2）原子间距改变）原子间距改变3）再结晶退火降低缺陷，可使电阻率恢复到冷变形前的水平；淬火升高电阻率；）再结晶退火降低缺陷，可使电

28、阻率恢复到冷变形前的水平；淬火升高电阻率；4）应力的影响）应力的影响 拉升压降拉升压降二、冷加工和缺陷二、冷加工和缺陷(quxin)第27页/共61页第二十八页，共62页。29 1）固溶体导电性 纯金属导电性和其元素周期表位置有关，不同的能带结构；合金复杂 固溶时电阻率增高 原因：溶剂点阵的畸变，增加(zngji)电子散射，有效电子数减少 低浓度固溶体符合马西森定律 一是溶剂的电阻，二是溶质引起的附加电阻三、合金化三、合金化第28页/共61页第二十九页，共62页。302)金属化合物的导电性金属化合物的导电性金属化合物的导电能力都比较差金属化合物的导电能力都比较差原因：金属键变为离子键、共价键，

29、导电电子原因：金属键变为离子键、共价键，导电电子(dinz)数减少数减少 3)多相合金的电阻率多相合金的电阻率 组成相的导电性及相对量、合金的组织形态组成相的导电性及相对量、合金的组织形态第29页/共61页第三十页，共62页。31 材料材料(cilio)(cilio)导电性测量导电性测量一、电阻一、电阻(dinz)测量方法测量方法1) 双电桥法双电桥法 双电桥法是测量小电阻的常用双电桥法是测量小电阻的常用(chn yn)方法，有较高方法，有较高的精度的精度2) 电位差计法电位差计法 测量小电阻有很高的精度测量小电阻有很高的精度3) 安培一伏特计法安培一伏特计法 毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小

30、，误差越小毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小4) 直流四探针法直流四探针法 中、高电导率的材料中、高电导率的材料第30页/共61页第三十一页，共62页。32第31页/共61页第三十二页，共62页。339.2 材料(cilio)的超导性能 超导超导(cho do)的概念的概念第32页/共61页第三十三页，共62页。34 超导超导(cho do)的特点的特点图图9-5 超导超导(cho do)态对磁态对磁通的排斥通的排斥超导体的两个超导体的两个(lin )(lin )基本基本特征特征1 1、完全导电性、完全导电性 永久电流永久电流 NbZr NbZr合金超导线合金超导线制成的螺线管，估计超

31、导电流衰制成的螺线管，估计超导电流衰减时间大于减时间大于1010万年；超导体室温万年；超导体室温放入磁场中，冷却到低温进入超放入磁场中，冷却到低温进入超导态，移开原磁场，感生电流没导态，移开原磁场，感生电流没有电阻长久存在；有电阻长久存在； 2 2、完全抗磁性、完全抗磁性 迈斯纳效应迈斯纳效应 磁感应强度为磁感应强度为0 0，屏蔽磁场和排除磁通，磁场穿，屏蔽磁场和排除磁通，磁场穿透深度只有几十透深度只有几十nmnm。第33页/共61页第三十四页，共62页。35 超导超导(cho do)的性能指标的性能指标超导体的三个性能指标超导体的三个性能指标1 1、临界转变温度、临界转变温度TcTc 越高越

32、好，有利于应用；目前金属间氧化物转变温越高越好，有利于应用；目前金属间氧化物转变温度最高的度最高的140K140K左右，金属间化合物最高的左右，金属间化合物最高的Nb3GeNb3Ge为为23.3K23.3K；2 2、临界磁场、临界磁场HcHc Tc Tc以下以下(yxi)(yxi)将磁场作用于超导体，当磁场强度将磁场作用于超导体，当磁场强度大于大于HcHc时，磁力线穿入超导体，即磁场破坏了超导态；时，磁力线穿入超导体，即磁场破坏了超导态；3 3、临界电流密度、临界电流密度 材料保持超导态的最大临界电流密度材料保持超导态的最大临界电流密度第34页/共61页第三十五页，共62页。36 一些金属低温

33、超导的临界(ln ji)温度和临界(ln ji)磁场材料临界温度Tc(K)临界磁场Hc(奥斯特)发现年代钨(W)0.01299铝(Al)1.174293铟(In)3.416412汞(Hg)4.158031911铅(Pb)7.219501913铌(Nb)9.261930钒三硅(V3Si)17.024,5001953铌三锡(Nb3Sn)18.11954铌铝锗(Nb3Al0.75Ge0.35)21.0420,0001967铌三锗(Nb3Ge)23.21973第35页/共61页第三十六页，共62页。37 超导超导(cho do)的理论模型的理论模型1 1、库柏电子对、库柏电子对(BCS)(BCS) 电

34、子电子声子相互作用所产生电子对声子相互作用所产生电子对 杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射 并且预言在金属和金属间化合物中的超导体的并且预言在金属和金属间化合物中的超导体的TcTc不超过不超过30 K30 K2 2、高温超导体模型、高温超导体模型液氮温度液氮温度(wnd)(wnd)以上，如以上，如Y Y系系123123相相(YBa2Cu3O7)(YBa2Cu3O7)、BiBi系的系的2212(Bi2Sr2CaCu2O,Tc=80K)2212(Bi2Sr2CaCu2O,Tc=80K)、2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O)2223(Bi2Sr2Ca2

35、Cu3O)，目前尚无统一的模型解释其超导机理；，目前尚无统一的模型解释其超导机理；第36页/共61页第三十七页，共62页。38 1986年，日本田中昭二小组得到了LaBaCuO在30K以上的抗磁转变和23K以上的零电阻转变。由此引发了世界性的“高温超导热”。1987年美国朱经武等用稀土元素Y代替Ba，获得YBaCuO陶瓷的起始(q sh)转化温度为100K，我国中科院赵忠贤小组也同时独立发现了YBaCuO的超导性。 结构基本特征是两个CuO2平面中间有一层Y原子面，上下是BaO原子面，上下底是含CuO链的平面。Y、Ba占据A位置，Cu占据B位置，故也称类钙钛矿结构。 高温超导材料的研究高温超导

36、材料的研究(ynji)现状现状第37页/共61页第三十八页，共62页。39 LaOFeAs是一种由绝缘的氧化镧层（LaO）和金属导电的砷铁（FeAs）层交错层叠而成、具有结晶构造的层状化合物。氟离子的置换量超过(chogu)3后即会显现出超导状态，在11左右得到了32K的最高临界温度。 2008年3月29日，赵忠贤院士领导的小组发现掺氟镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达52K，4月初，该小组又发现在压力环境下合成的无氟缺氧钐氧铁砷化合物，其超导临界温度可进一步提升至55K。第38页/共61页第三十九页，共62页。40 “十五”期间，北京(bi jn)英纳建成年产能力300公里Bi系高温超导线材生

37、产线。提供了大批量高质量的Bi高温超导线材约60公里，另免费供线15公里第39页/共61页第四十页，共62页。41 2004年底，应用超导重点实验室与甘肃长通电缆公司等合作，研制成功75m、10.5kV/1.5kA三相交流(jioli)高温超导输电电缆，并投入实际运行。 第40页/共61页第四十一页，共62页。42 在新型(xnxng)铁基材料La(O1-xFx)FeAs方面，应用超导重点实验室采用传统的粉末装管方法，首次成功研制出转变温度达25K的铁基镧氧铁砷 （La(O1-xFx)FeAs）线材。这是世界上第一个将铁基新超导材料加工成超导线材的工作，对于强电应用具有重要意义。在此基础上，应

38、用超导重点实验室与物理所合作又制备出转变温度高达52K 的钐氧铁砷（Sm(O1-xFx)FeAs）线材，其上临界场Hc2（T=0）高达120 T，进一步显示出铁基新超导材料在高场磁体中具有广阔的应用前景。 第41页/共61页第四十二页，共62页。439.3 介质(jizh)极化与介电损耗 介质介质(jizh)极化极化一、极化一、极化(j hu)概念概念 极化极化： 介质在电场作用下产生感应电荷介质在电场作用下产生感应电荷现象现象电介质电介质(dielectric)：电场下能极化的材料：电场下能极化的材料电介质分类电介质分类 1）非极性介质）非极性介质 无外电场作用时正负电荷中心重合无外电场作用

39、时正负电荷中心重合, 外电场外电场越强，粒子的电偶极矩越强，粒子的电偶极矩qu越大越大 2）极性介质）极性介质 分子存在固有电偶极矩分子存在固有电偶极矩 电偶极矩转向外电场方向电偶极矩转向外电场方向 外电场越强，电极化的程度越高外电场越强，电极化的程度越高图图9-6 电介质极化电介质极化示意图示意图图图9-7 电偶极子电偶极子qu第42页/共61页第四十三页，共62页。443) 介质极化率 单位电场强度下，介质粒子(lz)的电偶极矩的大小，表征材料的极化能力(Fm2) 只与材料的性质有关，是微观极化参数4) 介质极化强度P 电介质材料在电场作用下的极化程度(chngd)，单位体积中的感生电偶极

40、矩对于线性极化 locE0nVPloclocEnnPE00n0单位(dnwi)体积中的偶极子数； 偶极子平均电偶极矩第43页/共61页第四十四页，共62页。45 2）离子位移极化 感生的电偶极矩 交变电场作用下离子位移极化率，与离子结构有关、与温度(wnd)无关 10-12-10-13s二、极化基本二、极化基本(jbn)形式形式0弹性偶极子固有频率；振动频率；e电子电量，q离子电量，m电子质量，M离子质量；)1(2202mee)1(2202Mqi第44页/共61页第四十五页，共62页。462. 松弛极化松弛极化 与粒子的热运动有关，是不可逆过程；与粒子的热运动有关，是不可逆过程；1）电子松弛极

41、化）电子松弛极化 由弱束缚电子引起的电子能态发生变化，伴随有能量的损耗，电子松弛极化建立由弱束缚电子引起的电子能态发生变化，伴随有能量的损耗，电子松弛极化建立(jinl)的时间的时间 10-2-10-9s；2）离子松弛极化）离子松弛极化 弱联系离子产生的，仅作有限距离的迁移；弱联系离子产生的，仅作有限距离的迁移； 3. 转向极化转向极化 主要发生在极性介质中，偶极子在外电场中转向，趋于一致；建立时间主要发生在极性介质中，偶极子在外电场中转向，趋于一致；建立时间(shjin)较长较长10-2-10-10s，转向极化率比电子极化率高得多；，转向极化率比电子极化率高得多；第45页/共61页第四十六页

42、，共62页。47三、介电常数三、介电常数(ji din chn sh)1 介电常数(ji din chn sh)的概念 平板电容间有电介质时电容增加倍数；是反映电介质极化行为的一个主要宏观物理量；2 恒定电场介电常数(ji din chn sh) 1）电位移 方向从自由正电荷指向自由负电荷，极板间充以电介质后，电介质的极化作用，电位移加上极化强度P，EPPEDED0000真空介电常数，SI单位制中08.8510-2，高斯制中为1；是电介质宏观(hnggun)极化率，E为宏观(hnggun)平均电场无介质下有电介质下第46页/共61页第四十七页，共62页。482）介电常数 相对(xingdu)介

43、电常数 极化宏观参数 极化微观参数 EDEEEDrr000000/1)1 ()1 (EEnEnEEPlocrlocr000001)1( 和人分别为电介质的介电常数、相对介电常数；上式表明与极化有关(yugun)的宏观参数(,r, E)和微观参量(, n0, Eloc)之间的关系；第47页/共61页第四十八页，共62页。493 交变电场(jio bin din chn)介电常数 复数矢量，矢量D和P滞后于矢量 E，介电常数变成复数，若D滞后E一个相位角，损耗角，则 ieEDEDEDeDDeEEsiwtiti)cos(cos*00)(00电解质平板电容的总电流：理想电容器充电电流、电解质极化电流、

44、电解质漏电流，超前电压90-，实部对应电容充放电过程电流iCU，虚部对应能力损耗(snho)部分”CU 第48页/共61页第四十九页，共62页。50材料材料r r材料材料r r石蜡2.0-2.5LiF晶体9.27聚乙烯2.26云母晶体 5.4-6.2聚氯乙烯4.45TiO2晶体86-170天然橡胶2.6-2.9TiO2陶瓷80-110酚醛树脂5.1-8.6CaTiO3陶瓷 130-150石英晶体4.27-4.34BaTiO3晶体 1600-4500氧化铝陶瓷 9.5-11.2BaTiO3陶瓷 1700NaCl晶体6.12常用材料(cilio)的相对介电常数第49页/共61页第五十页，共62页。

45、514 影响介电常数的因素1) 极化类型的影响2) 温度的影响 a 介电常数与温度成非线性关系 b 介电常数与温度成线性关系介电常数很大的材料其温度系数TK为负值介电常数较小的材料其TK为正值频率的影响 电子极化发生在任何频率；紫外光范围只有电子位移极化，红外光范围，离子(原子(yunz)极化；频率降低，各种极化有；第50页/共61页第五十一页，共62页。521 介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念 电介质在电场的作用下电能转变热能，单位时间内因发热损电介质在电场的作用下电能转变热能，单位时间内因发热损耗能量；耗能量； 介质损耗越小越好，不但耗能，而且影响元器件正常工作介质损耗越小越好，不但耗

46、能，而且影响元器件正常工作 1 电导电导(或漏导或漏导)损耗损耗 存在漏电流，弱联系带电粒子存在漏电流，弱联系带电粒子(或空位或空位)引起引起 2 极化损耗极化损耗松弛极化所造成的介质损耗比较松弛极化所造成的介质损耗比较(bjio)大；造成损耗原因：电大；造成损耗原因：电矩滞后于外加电场引起矩滞后于外加电场引起 介质介质(jizh)损耗损耗一、介质一、介质(jizh)损耗概念损耗概念二、介质损耗分类二、介质损耗分类第51页/共61页第五十二页，共62页。53a 低频率不产生极化(j hu)损耗b 高频率产生极化(j hu)损耗3 电离损耗 由气体电离所引起 气孔中承受的电场强度比固态绝缘物中所

47、承受平均值要大 ；应尽量减少介质中的气孔4 结构损耗 与温度关系不大，随频率升高而增大5 宏观结构不均匀的介质损耗 工程介质材料大多数是不均匀介质 第52页/共61页第五十三页，共62页。541 1 对漏导（电导对漏导（电导(din do)(din do)）损耗的）损耗的影响影响介质损耗介质损耗 温度的升高，介质的电导温度的升高，介质的电导(din do)(din do)率增大率增大与频率无关与频率无关2 2 对极化损耗的影响对极化损耗的影响 快极化无损耗，缓慢极化产生损耗快极化无损耗，缓慢极化产生损耗频率频率(pnl)(pnl)很低时介质损耗为零很低时介质损耗为零损耗随着频率损耗随着频率(p

48、nl)(pnl)的增大而增大的增大而增大 频率频率(pnl)(pnl)很高时仅由起始电导率决定很高时仅由起始电导率决定损耗损耗 三、介质损耗三、介质损耗(snho)影响因素影响因素第53页/共61页第五十四页，共62页。55 3 3 温度影响温度影响(yngxing)(yngxing) 温度对损耗的影响温度对损耗的影响(yngxing)(yngxing)是由温度对是由温度对和和g g的影响的影响(yngxing)(yngxing)来决定来决定 温度温度(wnd)(wnd)升高，使松弛极化容易发生升高，使松弛极化容易发生 温度温度(wnd)(wnd)很低时，很小损耗很低时，很小损耗 损耗随着温度损耗随着温度(wnd)(wnd)升高而增大升高而增大 损耗随温度损耗随温度(wnd)(wnd)的升高出现一极大值的升高出现一极大值 电导损耗往往与松弛极化损耗同时存在电导损耗往往与松弛极化损耗同时存在 第54页/共61页第五十五页，共62页。561 介电强度介电强度 承受的最大电场强度承受的最大电场强度2 固体介质的击穿是不可