2009复习题 (2)

1、解答内容不得超过装订线一. 概念题 材料：由一定配比的若干相互作用的元素组成的具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的系统。应力及应变：材料单位面积上所受的附加内力为应力；材料受力时内部各质点之间的相对移动为应变。轨道磁矩：电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，为轨道磁矩。磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质内部形成磁场很强，磁矩方向相同的小区域。均匀吸收：材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。粒子数反转：高能级的粒子数N2多于低能级的粒子数N1，称为粒子数反转剪切应变：材料受到平行于截面积的大小相等、方向相反的两个剪

2、切应力时发生的形变。超导体：在一定温度下具有零电阻超导现象的材料。自旋磁矩：每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩。铁氧体：含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性瑞利散射：线度小于光的波长的微粒对入射光的散射晶界：同相晶粒之间的界面 二. 简述题（共 40分） 1、简述Maxwell模型和Voigt模型，并画出示意图（10分）答：理想弹簧：代表理想弹性体，其力学性质服 Hook定律理想粘壶：代表理想粘性体，服从牛顿粘性定律Maxwell模型Voigt模型Maxwell模型：由一个理想弹簧和理想粘壶串联成Voigt模型： 由一个理想弹簧和理想粘壶并联成2、晶体能带理论的基本要

3、点是什么？导体及半导体的能带有何区别？分别论述导体及半导体的导电机制，并画出示意图（15分）要点：电子的运动看做基本上是独立的，它们的运动遵守量子力学统计规律；考虑了晶体原子的周期势场对电子运动的影响；导体及半导体的能带区别：(a ) 电子占据状态不同：半导体的导带为空带，而导体的导带为半满带；(b) 禁带宽度不同：导体的Eg比半导体的Eg宽c) 导电机制不同：半导体的Eg较小，约1eV，在温度、光照等外加条件下，满带中的部分电子受热运动的影响，越过禁带，激发到空带中去，在价带和导带中分别出现数量相同的空穴和自由电子，并共同参与导电；导体的导带为半满态，导电机制来自半满态中的自由电子，即在外加

4、电场作用下，低能级的电子吸收能量，跃迁到高能级，形成电流。导体及半导体的导电机制示意图电场强度 EcEvEgEcEvEgEcEvEga 导体导电状态 b 半导体激发状态 c 半导体导电状态3、材料具有铁磁性取决于哪两个因素？软磁材料、硬磁材料和矩磁材料有何区别？画出铁磁材料的磁化曲线并说明磁化曲线与磁畴的关系（15分）材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1) 原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2) 原子在晶格中的排列方式软磁材料、硬磁材料和矩磁材料的区别软磁材料具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度，较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易

5、运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄； 在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化；硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。 具有较大的矫顽力，磁滞回线较粗， 剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。矩磁材料：磁滞回线呈矩形，又称， 剩磁接近于磁饱合磁感应强度具有高磁导率、高电阻率；磁化曲线：oa段：M的增加比较缓慢，磁域界移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行ab段：增加较快，单一磁域（饱和磁化）随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢b点：达到Ms(饱和磁化强度)；所有磁畴方向相同，达到饱和，化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增

6、加。 bC段： M由饱和磁化随M减少而减小，开始退磁，磁过程中M的变化落后于H的变化。磁畴开始转向。4、简述磁性材料的分类及各类材料的特点（10分）答：可分为：抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性和亚铁磁性1. 抗磁性：没有固有原子磁矩2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用5、氧化物高温超导有哪些结构特征？从晶格上如何划分，各自有何特征？ （15分）答：结构特征a.它们具有层状的畸变钙铁矿结构；b.氧的非化学计量对样品的缺陷形式和物理性质有重要影响；c.都存在二维Cuo面，这被认

7、为是超导电性存在的关键；d.这种Cu-O面被一种电荷源层所隔离，通过化学掺杂，该隔离层能控制超导面的荷电量；e、在费米能级EF处的电子能带是Cu3d和O2p态共同作用的结果；f、在揍杂过程中原来所处的反铁磁绝缘态失去它的本征磁矩变成金属态，继而出现超导电性高温超导体可以从晶格上划分为载流子层(或电子通道层)和电荷库层(提供和调节超导传输面上载流子)，而最基本的超导结构就是Cu-O片a、导电层是指分别由Cu06八面体、CuO5四方锥和Cu-O4平面四边形构成的铜氧层，这种结构组元是高温氧化物超导体所共有的也是对超导电性至关重要的结构特征，它决定了氮化物超导体在结构上和物理物性上的二维持点。载流子

8、库层：其他层状结构组元构成，它的作用是调节铜氧层的载流子浓度或提供超导电性所必需的耦合机制6. 材料的功能转化种类，效应？答：材料的功能转化有力-热-电功能转化、电-光和光-弹功能转化；力-热-光功能转化：电场应力（压电性），温度应力（热弹性），温度电场（热电性）；有四种耦合效应：热弹效应、温度变化引起应变的热膨胀、应力引起熵（热）的压热效应、应变引起熵（热）的形变热、温度变化而形状不变时的热压力。电光效应：由于电场强度不同而引起材料折射率变化的现象称为电光效应。光弹效应：由应力引起折射率的变化称为光弹效应。压电效应：当在晶体的某些方向上加力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象

9、称为压电效应。逆压电效应：正、负电荷重心的位移将导致晶体形变，这种现象称为逆压电效应。热释电效应：有些晶体可以因为温度变化而引起晶体有表面电荷，这一现象称为热释电效应。光电效应：材料在受到光照后，往往会引起某些电性质的变化，这一现象称为光电效应。热点效应：在用不同导体构成的闭合回路中，若使其结合部出现温度差，则在闭合回路中将会有热电流流过，或产生热电势，此现象称为热点效应，有泽贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应三种。电光效应：材料的光电特性受电场影响而发生变化的现象统称为电光效应，其中物质的折射率受电场影响而发生改变的电光效应分为泡克耳斯效应和克尔效应。磁光效应：置于磁场中的物体，受磁场影响后其

10、光学特性发生变化的现象称为磁光效应，有磁光法拉第效应和磁光克尔效应等。声光效应：声波作用于某些物质而使其光学特性发生改变的现象称为声光效应。7声波满足哪三个物理定律？各有何意义？答：三个基本物理定律：牛顿第二定律、质量守恒定律和绝热热缩定律，由此可以分别推导出介质运动方程（p-V）关系、连续性方程（V-关系）和物态方程（p-关系），并由此推导出声波方程p、V和等对空间、时间坐标的微分方程。8海水中声波传播损失的主要来源？答：海水中声吸收由三种效应引起：一种是切变黏滞性效应，另一种是体积黏滞性效应，以及在100KHz以下，海水中硫化镁（MgSO4）分子的离子弛豫引起的吸收。9水声材料的主要技术要

11、求？答：水声材料主要用于制作各种声波发射器呃水听器，随着水声换能器技术的发展，要求具有功率大、频率常数低、时间和温度稳定性好、强电场下性能好以及能承受动态张应力大的材料，如近期开发的铁电陶瓷材料、镍基磁致伸缩材料等，压电晶体和陶瓷是产生超声波的一类重要材料。三、计算题1. 一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。（9分）解：根据题意可得下表拉伸前后圆杆相关参数表体积V/mm3直径d/mm圆面积S/mm2拉伸前1227.22.54.909拉伸

12、后1227.22.44.524 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。2.室温中KT=0.024eV，有一比费米能级高0.12eV的状态，采用波尔兹曼统计分布函数相对于费米-迪拉克统计分布函数计算的误差是多少？（9分）3.一块n型硅半导体，施主浓度ND=1015/cm3，本征费米能级在禁带正中，费米能级EF在Ei之上0.29eV处，设施主电离能DED=0.05eV，计算T=300K时，施主能级上的电子浓度。（11分）4. 垂直于板面方向磁化的大薄片磁性材料，去掉磁化场后的磁极化强度是J =0M = 1Wb/m2, 计算板中心的退磁场大小。（10分）解：垂直于板面方向磁化,则为

13、垂直于磁场方向J = 0M = 1Wb/m2退磁场Hd = - NM大薄片材料,退磁因子Na = Nb = 0, Nc = 1所以Hd = - M = -=7.96×105A/m5. 光通过一块厚度为1mm的透明Al2O3板后强度降低了15%，计算其吸收和散射系数的总和。（9分）解: 6. 分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = 和t = 时的纵坐标表达式（9分）。解：Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程： 以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个

14、黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。7. NaCl和KCl具有相同的晶体结构，在低温下的Debye温度D分别为310K与230K，KCl在5K时的定容摩尔热容为3.8×10-2J/（K.mol）,计算NaCl在5K和KCl在2K时的定容摩尔热容（9分）。8分别计算掺有下列杂质的硅，在室温时的载流子浓度和电阻率（12分）：（1）3×1015硼原子/CM3（2）1.3×1016硼原子/CM3+1×1016磷原子/CM3（2）1.3×1016磷原子/CM3+1×1016硼原子/CM3+1×1017砷原子/CM39. 试证明拉莫进动频率WL = （9分）证明:由于逆磁体中自旋磁矩相互抵消,只须考