第十章_材料的电学性能

1、第十章第十章 材料的电学性能材料的电学性能 导电性能导电性能介电性能介电性能 第一节第一节 导电性能导电性能 第二节第二节 热电性能热电性能 第三节第三节 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应 第四节第四节 介质极化与介电性能介质极化与介电性能 第五节第五节 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 第六节第六节 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度 一、电阻与导电的基本概念一、电阻与导电的基本概念导电：导电：在材料两端施加电压时，有电流流过的现象。在材料两端施加电压时，有电流流过的现象。 欧姆定律：欧姆定律：I=V/R电阻电阻R：与材料的与材料的性质、尺寸性质、尺寸有关。有关。SLR电阻率电

2、阻率：表示单位长度和单位面积上导电体的电表示单位长度和单位面积上导电体的电阻值；阻值；只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关无关；是评定导电性的基本参数是评定导电性的基本参数；单位：单位：m。 SRL10.1 导电性能导电性能一、电阻与导电的基本概念一、电阻与导电的基本概念1电阻率愈小，电导率愈大，材料导电性能越好。电阻率愈小，电导率愈大，材料导电性能越好。 绝缘体，绝缘体，1010 m 材料分类材料分类 半导体，半导体，=10-21010 m(根据导电性好坏根据导电性好坏) 导体，导体，10-2 m 不同材料的导电能力相差很大，这不同材料的导电能力相差很

3、大，这决定于结构决定于结构与导电本质与导电本质。电导率电导率： (1)经典电子理论经典电子理论 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。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，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。的能量状态，即具有不同的能级。二、导电机理二、导电机理 能带理论能很好地解释能带理论能很好

4、地解释金属、绝缘体、半导金属、绝缘体、半导体体等的导电性。等的导电性。 金属中的金属中的价电子是公有化价电子是公有化和和能量是量子化能量是量子化，且金属中由且金属中由离子造成的势场是呈周期变化的离子造成的势场是呈周期变化的。 (3)能带理论能带理论 电子在周期势场中运动时，电子在周期势场中运动时，能量随位置呈周期变化，能量随位置呈周期变化，使使得价电子在金属中以不同能得价电子在金属中以不同能量状态分布的量状态分布的能带发生分裂能带发生分裂，即即有有某些能态是电子不某些能态是电子不能取值的，如能隙能取值的，如能隙AB和和CD。周期势场中电子运动的周期势场中电子运动的E-K曲线及能带曲线及能带E:

5、自由电子的动能；自由电子的动能；K：波数频率，：波数频率，K=2/ (3)能带理论能带理论 当当-K1KK1时，时，E-K曲线按抛物线规律连续变化。曲线按抛物线规律连续变化。 当当K=K1时，只要时，只要K稍微增大，稍微增大，E便从便从A跳到跳到B，在，在A和和B之之间存在一个能隙间存在一个能隙E1同样，当同样，当K=K2时，能带也发生分裂，存在能隙时，能带也发生分裂，存在能隙E2。 禁带：禁带：能隙的存在意味着禁止电能隙的存在意味着禁止电子具有子具有A和和B与与C和和D之间的能量，之间的能量，能隙所对应的能带。能隙所对应的能带。 允带：允带：电子可以具有的能级所组电子可以具有的能级所组成的能

6、带。成的能带。 允带与禁带相互交替，形成了允带与禁带相互交替，形成了材材料的料的能带结构能带结构。 (3)能带理论能带理论 空能级空能级指允带中未被电子填满的能级。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，这样的允带称为在外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带导带。 满带：满带：一个允带所有的能级都被电子填满的能一个允带所有的能级都被电子填满的能带。带。 (3)能带理论能带理论 导体：导体：允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，图带相互重叠，图a

7、、b、c；在外电场的作用下电子很容易；在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级而产生电流；具有这种能带结从一个能级转到另一个能级而产生电流；具有这种能带结构的材料称为导体。构的材料称为导体。所有金属都属于导体。所有金属都属于导体。 绝缘体：绝缘体：一个满带上面相邻的是一个一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带较宽的禁带，图，图d，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能产生电流。不能产生电流。 半导体：半导体：半导体的能带结构

8、与绝缘体相同，但其半导体的能带结构与绝缘体相同，但其禁带较窄禁带较窄，图图e；在热、光辐射等作用下，满带中的电子就有能量可能跃；在热、光辐射等作用下，满带中的电子就有能量可能跃迁到空带中去。这样，在空带中出现迁到空带中去。这样，在空带中出现导电电子导电电子，在满带中出现，在满带中出现电子空穴电子空穴。 本征导电：空带中的电子导电和满带中的空穴导电同时存在本征导电：空带中的电子导电和满带中的空穴导电同时存在的导电方式。的导电方式。 本征半导体：本征半导体：具有本征导电特具有本征导电特性的半导体。性的半导体。 n型半导体：型半导体：载流子是空带中载流子是空带中的电子，的电子， p型半导体：型半导体

9、：载流子是满带中载流子是满带中的空穴。的空穴。 超导性超导性：一定温度一定温度条件下材料条件下材料突然失去电阻突然失去电阻的现象。的现象。 超导态：超导态：材料没有电阻的状态。材料没有电阻的状态。 正常态：正常态：材料有电阻的状态。材料有电阻的状态。 由于没有电阻，超导体是等电位体，其内部没有电场。由于没有电阻，超导体是等电位体，其内部没有电场。 临界温度临界温度Tc：材料由正常态转变为超导态的温度。材料由正常态转变为超导态的温度。三、超导电性三、超导电性 完全导电性：完全导电性：将应力外磁场突然去掉，通过磁感应作将应力外磁场突然去掉，通过磁感应作用产生用产生永不衰减的感生电流永不衰减的感生电

10、流(永久电流永久电流)。 完全抗磁性：完全抗磁性：超导状态的金属，内部超导状态的金属，内部B始终为零。不始终为零。不仅外加磁场不能进入超导体的内部，而且原来处于磁场中仅外加磁场不能进入超导体的内部，而且原来处于磁场中的正常态样品，当温度下降使其变成超导体时，也会把原的正常态样品，当温度下降使其变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去。超导体具有来在体内的磁场完全排出去。超导体具有屏蔽磁场和排除屏蔽磁场和排除磁通磁通的性能。的性能。超导电性的两个基本特征：超导电性的两个基本特征： 临界转变温度临界转变温度Tc：超导体温度：超导体温度D，纯金属纯金属t与与T关系：关系： 0(1)tT：电阻温

11、度系数；：电阻温度系数；0：标准态：标准态(20)的电阻率；的电阻率；T：环境与标准态的温差。：环境与标准态的温差。 2KTD，T5； T2K，T2； 1、温度的影响、温度的影响 (1)冷塑性变形使金属电阻率增大冷塑性变形使金属电阻率增大: 冷塑性变形使晶体冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷点阵畸变和晶体缺陷(尤其是空尤其是空位位)增加增加，造成点阵电场的不均匀，加剧对电磁波的散射；，造成点阵电场的不均匀，加剧对电磁波的散射； 冷塑性变形冷塑性变形改变原子间距改变原子间距； (2)回复再结晶可使电阻率显著恢复：回复再结晶可使电阻率显著恢复： 回复回复处理可处理可显著降低点缺陷浓度显著降低点缺陷

12、浓度，使，使明显恢复；明显恢复； 再结晶退火再结晶退火可可消除形变时的点阵畸变和晶体缺陷消除形变时的点阵畸变和晶体缺陷，使使恢复到冷变形前的水平。恢复到冷变形前的水平。2、冷塑性变形和应力的影响冷塑性变形和应力的影响 (1) 冷塑性变形使金属电阻率增大冷塑性变形使金属电阻率增大: (2) 回复再结晶可使电阻率显著恢复：回复再结晶可使电阻率显著恢复： (3) 淬火保留了高温时的点缺陷，使淬火保留了高温时的点缺陷，使升高。升高。 (4) 拉应力使原子间距增大，拉应力使原子间距增大，上升；压应力则相反上升；压应力则相反。2、冷塑性变形和应力的影响冷塑性变形和应力的影响(1) 固溶体导电性固溶体导电性

13、 一般地，尽管一般地，尽管溶质溶质溶剂溶剂时，时，形成固形成固溶体合金的溶体合金的增高增高： a、溶入溶质原子、溶入溶质原子引起点阵畸变引起点阵畸变电电阻增大；阻增大； b、组元间化学相互作用、组元间化学相互作用有效电子数有效电子数减少减少增加。增加。3、合金化对导电性的影响、合金化对导电性的影响 纯金属纯金属的导电性：与其在的导电性：与其在元素周期表元素周期表中的位置有关中的位置有关，由其，由其能带结构决定能带结构决定。 合金合金的导电性较复杂：当金属元素形的导电性较复杂：当金属元素形成合金后，其成合金后，其异类原子引起点阵畸变异类原子引起点阵畸变，组元间相互作用组元间相互作用引起引起有效电

14、子数、能带有效电子数、能带结构、合金组织结构等的变化结构、合金组织结构等的变化。3、合金化对导电性的影响、合金化对导电性的影响121ssssc 溶质浓度较小时，固溶体溶质浓度较小时，固溶体s的变化规律符合的变化规律符合马基申定律马基申定律 ：s1：溶剂电阻率；：溶剂电阻率；s2：溶质引起的电阻率；：溶质引起的电阻率；s2=c，rc：溶质的量比，：溶质的量比，：1%溶质量比的附加电阻率。溶质量比的附加电阻率。 固溶体电阻固溶体电阻由两部分组成：由两部分组成： 溶剂电阻溶剂电阻(即纯金属电阻即纯金属电阻)，随，随T增大增大； 溶质引起的附加电阻，与溶质引起的附加电阻，与T无关，只与溶质浓度有关无关

15、，只与溶质浓度有关。(1) 固溶体导电性固溶体导电性 固溶体有序化，固溶体有序化，有利于改善离子电场的规整性，有利于改善离子电场的规整性， 电子散射，电子散射，电阻电阻 。 不均匀固溶体不均匀固溶体，即溶质，即溶质原子产生偏聚，电子散射原子产生偏聚，电子散射 ，电阻电阻 。 T不变时，不变时，冷变形使冷变形使s 增大的幅度大于纯金属的情增大的幅度大于纯金属的情况。况。(1) 固溶体导电性固溶体导电性 金属化合物金属化合物的导电能力都较差，其的导电能力都较差，其电电导率比各组元的要小得多：导率比各组元的要小得多：组成化合物后，组成化合物后，原子间的原子间的部分金属键部分金属键转变为转变为共价键或

16、离子共价键或离子键键，使，使导电电子数减少导电电子数减少。 由于由于键合性质的改变键合性质的改变，金属金属因形成金因形成金属间化合物而属间化合物而变成半导体，甚至完全失去变成半导体，甚至完全失去导电性导电性。(2)金属化合物的导电性金属化合物的导电性 多组相合金的导电性，既与组成相多组相合金的导电性，既与组成相的导电性及相对量有关，还与组成相的的导电性及相对量有关，还与组成相的形貌有关，即与合金的组织形态有关。形貌有关，即与合金的组织形态有关。 (3)多相合金的电阻率多相合金的电阻率 是一个组织结构敏感的物理量，是一个组织结构敏感的物理量，多相多相合金合金很难定量计算。很难定量计算。 退火态的

17、二元合金组织为两相退火态的二元合金组织为两相机械混合机械混合物时，若组成相的物时，若组成相的接近，则接近，则电导率与两电导率与两组元的体积分数呈线性关系组元的体积分数呈线性关系。 常近似认为常近似认为多相合金的电阻率为各相电多相合金的电阻率为各相电阻率的加权平均阻率的加权平均。(3)多相合金的电阻率多相合金的电阻率 10.1 导电性能导电性能 固溶体固溶体的电阻率随成分的电阻率随成分呈呈曲线曲线增加增加； 两相混合物两相混合物的电阻率随成分呈的电阻率随成分呈线性线性增加增加(大约是两相电阻大约是两相电阻率的加权平均值率的加权平均值)； 除有序固溶体外，除有序固溶体外，合金化均使金属的电阻率增加

18、。合金化均使金属的电阻率增加。 电阻率是对成分、组织、结构极为敏感的电阻率是对成分、组织、结构极为敏感的物理参量，能灵敏反映材料内部的微弱变化。物理参量，能灵敏反映材料内部的微弱变化。 电阻分析：通过测量电阻率的变化来研电阻分析：通过测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化。究金属与合金的组织结构变化。2、电阻分析的应用、电阻分析的应用 由于很容易对材料的许多物理过程进行由于很容易对材料的许多物理过程进行的跟踪测的跟踪测量，电阻分析法在材料科学研究中得到广泛应用，如量，电阻分析法在材料科学研究中得到广泛应用，如研究过饱和固溶体的脱溶和溶质元素的回溶、研究过饱和固溶体的脱溶和溶质元素的回溶

19、、测定固溶体的溶解度曲线、测定固溶体的溶解度曲线、研究合金的时效、研究合金的时效、研究合金的不均匀固溶体的形成、研究合金的不均匀固溶体的形成、研究合金有序研究合金有序-无序转变无序转变等。等。 总之，凡是转变前后或转变过程中有电阻变化的总之，凡是转变前后或转变过程中有电阻变化的现象，都可利用电阻分析法进行研究。现象，都可利用电阻分析法进行研究。2、电阻分析的应用、电阻分析的应用原理：原理： 固溶体固溶体的电阻率随溶质原子的电阻率随溶质原子呈呈曲线曲线增加增加； 两相混合物两相混合物的电阻率大约是的电阻率大约是两相电阻率的加两相电阻率的加权平均值；权平均值； 淬火可以保留高温时的固溶度。淬火可以

20、保留高温时的固溶度。 (1)测量固溶体的溶解度曲线测量固溶体的溶解度曲线步骤：步骤：制成一组不同成分的试样，制成一组不同成分的试样，在在t1温度加热保温温度加热保温，使组织成分均匀，使组织成分均匀，再淬火再淬火，以保留其在，以保留其在t1时的组织。时的组织。 分别测定上述试样的电阻，算出分别测定上述试样的电阻，算出，作出温度，作出温度t1下加热淬火的下加热淬火的-w曲线，曲线，即电阻率与成分的关系。即电阻率与成分的关系。 在在t2、t3等一系列温度下加热淬等一系列温度下加热淬火，用同样方法得到相应的火，用同样方法得到相应的-w曲线。曲线。 每条曲线都有一个转折点每条曲线都有一个转折点a1，每点

21、对应一个成分，每点对应一个成分B1, ，将这些点在成分将这些点在成分-温度图上连接，就得到溶解度曲线。温度图上连接，就得到溶解度曲线。 (1)测量固溶体的溶解度曲线测量固溶体的溶解度曲线 形状记亿合金是一种新型功能材料，其形状记亿合金是一种新型功能材料，其记忆原记忆原理理与与热弹性热弹性M可逆转变可逆转变有关。有关。 形状记忆合金的重要参数：形状记忆合金的重要参数： 马氏体向母相转变的马氏体向母相转变的As和和Af； 母相向马氏体转变的母相向马氏体转变的Ms及及Mf。 根据根据母相与马氏体的电阻不同母相与马氏体的电阻不同，将形状记忆合，将形状记忆合金试样连续加热和冷却，金试样连续加热和冷却，测

22、量其测量其R-T曲线，得出转曲线，得出转变温度变温度。(2)测定形状记忆合金中的相变温度测定形状记忆合金中的相变温度 将形状记忆合金试样连续加热和冷却，测量其将形状记忆合金试样连续加热和冷却，测量其R-T曲线曲线。 从室温加热，马氏体试样从室温加热，马氏体试样R基本随基本随T线性增大；线性增大； 达到达到As 时马氏体开始向母相转变，电阻向下偏离直线变化时马氏体开始向母相转变，电阻向下偏离直线变化， T继续继续，转变量，转变量，R继续继续； 完全转变为母相时完全转变为母相时R随随T线性增加，线性增加，这就是这就是Af 点点。 冷却时与加热时相反，冷却时与加热时相反，R先随先随T线性下降；母相向

23、马氏体转变时上线性下降；母相向马氏体转变时上升，转变终了时继续下降，由此得升，转变终了时继续下降，由此得Ms 及及Mf 点。点。(2)测定形状记忆合金中的相变温度测定形状记忆合金中的相变温度1、电阻测量方法、电阻测量方法(1)双电桥法双电桥法 双电桥法是双电桥法是测量小电阻的常用方法，测量测量小电阻的常用方法，测量精度较高精度较高。(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)安培安培-伏特计法伏特计法 (4)直流四端电极法直流四端电极法 五、导电性的测量及应用五、导电性的测量及应用10.2 热电性能热电性能 金属与合金的热电势是一个金属与合金的热电势是一个

24、组织结构敏感组织结构敏感的的物理量。物理量。通过热电势分析，可以研究金属与合通过热电势分析，可以研究金属与合金的成分及组织变化规律。金的成分及组织变化规律。 赛贝克效应赛贝克效应(热电第一效应热电第一效应)金属的热电效应金属的热电效应 珀尔贴效应珀尔贴效应(热电第二效应热电第二效应) 汤姆逊效应汤姆逊效应(热电第三效应热电第三效应) 金属不同，其自由电子的能量状态也不同。金属不同，其自由电子的能量状态也不同。 接触电势：接触电势：某温度下，当金属某温度下，当金属A与金属与金属B相接触时，相接触时，若若A的电子能量高，则电子从的电子能量高，则电子从A流向流向B，使，使A的电子减的电子减少、电位变

25、正，少、电位变正，B的电子增加、电位变负，从而在的电子增加、电位变负，从而在A与与B间产生一个静电势间产生一个静电势VAB。此静电势通常称为接触电势。此静电势通常称为接触电势。1、珀尔帖效应、珀尔帖效应ItPQABp帕尔帖效应：帕尔帖效应：由于接触电势的存在，若沿由于接触电势的存在，若沿AB方向通电方向通电流，则接触点处要吸收热量；若反向通电，则接触点流，则接触点处要吸收热量；若反向通电，则接触点放热；这种现象称为珀尔贴效应。放热；这种现象称为珀尔贴效应。 帕尔帖热：帕尔帖热：吸收或放出的热量吸收或放出的热量Qp。PAB为帕尔帖系数或帕尔帖电势，与金属的本性和温度有关。为帕尔帖系数或帕尔帖电势

26、，与金属的本性和温度有关。Qp可由实验测定。可由实验测定。1、珀尔帖效应、珀尔帖效应沿沿AB方向通电流，则接触点处要吸收热量，这是由于：方向通电流，则接触点处要吸收热量，这是由于：接触点处，电子从接触点处，电子从A流向流向B；沿沿AB通电，则电子从通电，则电子从B流向流向A； 接触点处由接触点处由A流向流向B的电子受阻，电子减速；的电子受阻，电子减速；减速的电子又与金属原子碰撞，从金属原子取得动能，减速的电子又与金属原子碰撞，从金属原子取得动能，从而使该处温度降低，需从外界吸收热量。从而使该处温度降低，需从外界吸收热量。TSItQT 汤姆逊效应：汤姆逊效应：当一根金属导线两端温度不同当一根金属

27、导线两端温度不同时，若通以电流，则在导线中除产生焦耳热外，时，若通以电流，则在导线中除产生焦耳热外，还要产生额外的吸放热现象。还要产生额外的吸放热现象。 电流方向与导线中热流方向一致时产生电流方向与导线中热流方向一致时产生放热效应放热效应，反之则产生反之则产生吸热效应吸热效应。 吸收或放出的热量称为吸收或放出的热量称为汤姆逊热汤姆逊热QT，可由实验测定。，可由实验测定。S为汤姆逊系数，为汤姆逊系数，I为电流，为电流，t为通电时间，为通电时间，T为导线两端温差。为导线两端温差。2、汤姆逊效应、汤姆逊效应 当当两种不同两种不同的金属或合金的金属或合金A、B联成闭联成闭合回路，且合回路，且两接点处温

28、度不同，则回路中两接点处温度不同，则回路中将产生电流将产生电流的现象。的现象。3、 赛贝克效应赛贝克效应 赛贝克效应的实质在于接触电势的产生赛贝克效应的实质在于接触电势的产生：两种：两种金属接触时会产生金属接触时会产生接触电势接触电势VAB，其电势差大小取，其电势差大小取决于金属的电子逸出功决于金属的电子逸出功V和电子浓度和电子浓度N。T1T2()lnAABBABNkTVVVeN3、 赛贝克效应赛贝克效应热电势热电势：当此两金属头尾相接时，若两接触点温当此两金属头尾相接时，若两接触点温度不同，则两接触点的接触电位也不同，从而在度不同，则两接触点的接触电位也不同，从而在回路中产生热电势回路中产生

29、热电势AB：T1T2121212( ) ()ln()ln =lnABABABAABABABBABVTVTkTNkTNVVVVeNeNNkTTeN3、 赛贝克效应赛贝克效应 热电势方向热电势方向：规定规定在热端，若电流由在热端，若电流由A流向流向B，则，则B正正A负。负。 T1T23、 赛贝克效应赛贝克效应12=lnAABBNkTTeN1、温度的测量、温度的测量 由赛贝克效应，由赛贝克效应，热电势与两接点的温差成正比热电势与两接点的温差成正比。如果保持冷端温度如果保持冷端温度T2不变，则热电势与热端温度不变，则热电势与热端温度T1成正比。实际上，热电势还受其他因素影响，成正比。实际上，热电势还受

30、其他因素影响，常用经验公式为常用经验公式为12=lnAABBNkTTeNT为热端的温度为热端的温度(冷端为冷端为0)，a、b、c为材料参数。为材料参数。 23=aTbTcT二、热电效应的应用二、热电效应的应用12=lnAABBNkTTeN中间金属定律：中间金属定律：如果在两根不同的金属丝如果在两根不同的金属丝之间串联另一种金属，之间串联另一种金属，只要串联金属两端只要串联金属两端的温度相同的温度相同，则，则回路中产生的总热电势只回路中产生的总热电势只与原有的两种金属的性质有关与原有的两种金属的性质有关，而与串联，而与串联入的中间金属无关。入的中间金属无关。1、温度的测量、温度的测量 利用利用赛

31、贝克效应赛贝克效应和和中间金属定律中间金属定律，可制成，可制成热电热电偶来测量温度。偶来测量温度。 热电偶工作原理：热电偶工作原理：将两种不同金属的一端焊在将两种不同金属的一端焊在一起，作为热端，放入待测温度的环境中；而将一起，作为热端，放入待测温度的环境中；而将另一端分开，并保持恒温另一端分开，并保持恒温(通常为室温通常为室温)，并分别串，并分别串接补偿导线接补偿导线(第三金属或中间金属第三金属或中间金属)，再接入电位差，再接入电位差计，测量热电势，反过来计算计，测量热电势，反过来计算(查表查表)热端温度。热端温度。1、温度的测量、温度的测量热电偶热电偶中间金属定律：中间金属定律：均质导体定

32、律：均质导体定律：热电偶必须由两种不同的均质导热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。度梯存在，将会产生附加热电势。中间温度定律：中间温度定律：热电偶回路两接点热电偶回路两接点(温度为温度为T、T0)间的热电势，等于热电偶在温度为间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电时的热电势与在温度为势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。时的热电势的代数和。Tn称中称中间温度。间温度。热电偶基本定律热电偶基本定律 热电偶种类很多，已研制的组合约热电偶种类很多，已研制的组合约300种，标种，标准化

33、的准化的15种，广泛应用的有种，广泛应用的有8种，最常见：种，最常见：铂铑铂铑-铂铂(1700)、镍铬镍铬-镍硅镍硅(灵敏度高、电势与温度成正比灵敏度高、电势与温度成正比)、铜铜-康铜康铜(15K室温范围内有高的灵敏度室温范围内有高的灵敏度)、金钴合金金钴合金-铜铜(低于低于4K)、金铁合金金铁合金-镍铬等镍铬等 (低于低于4K)。1、温度的测量、温度的测量 利用热电材料制备的利用热电材料制备的“热热-电电”转换装置，转换装置，通过材料内部的载流子运输，实现通过材料内部的载流子运输，实现“热能热能”和和“电能电能”的直接相互转换，可用于的直接相互转换，可用于温差发温差发电电(赛贝克效应赛贝克效

34、应)及电制冷及电制冷(珀尔贴效应珀尔贴效应)。2、热、热-电转换电转换1、金属本性：、金属本性：电子逸出功、自由电子密度电子逸出功、自由电子密度 2、温度、温度 3、合金化：、合金化：固溶体固溶体(悬链式悬链式)、金属化合物、金属化合物(突变或显著增加突变或显著增加)、多相合金多相合金(加权平均加权平均) 4、钢中含碳量及其组织状态、钢中含碳量及其组织状态 纯铁与钢组成热电偶时，其热电势纯铁与钢组成热电偶时，其热电势铁为正、钢为负铁为正、钢为负； 钢中的钢中的含碳量越高热电势越负含碳量越高热电势越负，铁与钢组成的热电偶的热，铁与钢组成的热电偶的热电势就越大。电势就越大。 含碳量相同时，含碳量相

35、同时，淬火态比退火态的热电势要高淬火态比退火态的热电势要高。 三、影响热电势的因素三、影响热电势的因素12=lnAABBNkTTeN()lnAABBABNkTVVVeN 材料的热电势除可作为测温用的热电偶外，还材料的热电势除可作为测温用的热电偶外，还可用以材料科学研究。可用以材料科学研究。 马氏体的回火转变马氏体的回火转变(P194)、 合金的时效、合金的时效、 加工硬化奥氏体的转变、加工硬化奥氏体的转变、 不同牌号钢材的鉴别不同牌号钢材的鉴别 等。等。四、热电势的测量与应用四、热电势的测量与应用 10.3 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应 半导体的半导体的能带结构能带结构(图图e

36、)与绝缘体的与绝缘体的(图图d)相同，但其相同，但其禁带较窄禁带较窄(约约1 eV) ； 半导体在外界作用下如半导体在外界作用下如热、光辐射等热、光辐射等，满带中的电，满带中的电子就有能量，可能跃迁到空带中去。这样，在子就有能量，可能跃迁到空带中去。这样，在空带中出空带中出现电子导电，在满带中出现空穴导电现电子导电，在满带中出现空穴导电。 半导体的导电性受环境影响很大半导体的导电性受环境影响很大，产生了一些半，产生了一些半导体敏感效应：导体敏感效应：热敏效应、热敏效应、光敏效应、光敏效应、压敏效应、压敏效应、磁敏效应、磁敏效应、气敏效应、气敏效应、光磁效应、光磁效应、热磁效应、热磁效应、热电效

37、应等热电效应等 半导体的导电，主要由电子和空穴产生的。半导体的导电，主要由电子和空穴产生的。T，自由电子数和空穴数，自由电子数和空穴数，电导率，电导率、电阻率、电阻率。 B为材料的电导活化能，与材料有关。某些材料的为材料的电导活化能，与材料有关。某些材料的B值值很大，在感受微弱温度变化时的电阻率变化十分明显很大，在感受微弱温度变化时的电阻率变化十分明显。 具有热敏特性的半导体可制成各种热敏温度计、电具有热敏特性的半导体可制成各种热敏温度计、电路温度补偿器、无触点开关、热敏电阻等。路温度补偿器、无触点开关、热敏电阻等。0BTe一、热敏效应一、热敏效应 光电导：光的照射光电导：光的照射使某些半导体

38、的电阻率使某些半导体的电阻率 的现象。的现象。 机理：机理：具有一定能量的光子照射到半导体时，半导具有一定能量的光子照射到半导体时，半导体体接收光子能量，受到激发接收光子能量，受到激发，半导体材料，半导体材料产生大量的产生大量的自由电子和空穴自由电子和空穴，促使电阻率急剧下降。，促使电阻率急剧下降。 条件：光子的能量必须大于半导体禁带宽度条件：光子的能量必须大于半导体禁带宽度。 用途：用途：光敏电阻器，广泛应用于各种自动控制系统，光敏电阻器，广泛应用于各种自动控制系统，如如光敏电阻可实现照明自动化等光敏电阻可实现照明自动化等。二、光敏效应二、光敏效应 1、电压敏感效应、电压敏感效应 某些半导体

39、材料对电压的变化很敏感，如某些半导体材料对电压的变化很敏感，如半导体半导体氧化锌陶瓷氧化锌陶瓷，通过它的电流和电压不是线性关系，即，通过它的电流和电压不是线性关系，即电阻随电压改变电阻随电压改变。用具有压敏特征的材料可制成。用具有压敏特征的材料可制成压敏压敏电阻电阻，可用于过电压吸收、高压稳压、避雷器等。，可用于过电压吸收、高压稳压、避雷器等。2、 压力敏感效应压力敏感效应 由于压力作用使电阻率发生改变的现象由于压力作用使电阻率发生改变的现象。 三、压敏效应三、压敏效应(电压敏感效应电压敏感效应和和压力敏感效应压力敏感效应)1、霍尔效应、霍尔效应 将通有电流的半导体放在均匀磁场中，设电场沿将通

40、有电流的半导体放在均匀磁场中，设电场沿x方方向，电场强度向，电场强度Ex；磁场与电场垂直，沿；磁场与电场垂直，沿z方向，磁场感方向，磁场感应强度为应强度为Bz，则在电场和磁场平面的法线方向，则在电场和磁场平面的法线方向y将产生将产生一个横向电场一个横向电场Ey，这个现象称为，这个现象称为霍尔效应霍尔效应。霍尔电场。霍尔电场Ey与电流密度与电流密度Jx和和Bz成正比。成正比。yHxzER J B 根据霍尔效应制成的霍尔器件在测量技术、自动化技术根据霍尔效应制成的霍尔器件在测量技术、自动化技术及信息处理等方面得到广泛应用。及信息处理等方面得到广泛应用。 四、磁敏效应（四、磁敏效应（霍尔效应和磁阻效

41、应霍尔效应和磁阻效应） 半导体中，在垂直于电流的方向施加磁场，半导体中，在垂直于电流的方向施加磁场，使电流密度降低，即使电流密度降低，即由于磁场的存在使半导由于磁场的存在使半导体的电阻增大的现象称为磁阻效应。体的电阻增大的现象称为磁阻效应。 通常用电阻率的相对变化来表示磁阻。通常用电阻率的相对变化来表示磁阻。2、磁阻效应、磁阻效应10.4 介质极化与介电性能介质极化与介电性能一、极化的基本概念一、极化的基本概念 二、极化的基本形式二、极化的基本形式三、介电常数三、介电常数 极化现象：极化现象：在在真空平行板电容器真空平行板电容器的电极板间的电极板间嵌入嵌入介质介质并在电极之间并在电极之间加以外

42、电场加以外电场时，则会在时，则会在介质表面介质表面感应出电荷感应出电荷，即，即正极板附近的介质表面感应出负电正极板附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种。这种感感应电荷不会跑到对面极板上形成电流应电荷不会跑到对面极板上形成电流，因此称它们，因此称它们为为束缚电荷束缚电荷。电介质极化示意图电介质极化示意图一、极化的基本概念一、极化的基本概念 介质的极化：介质的极化：介质介质在电场作用下产生感应电荷的现象。在电场作用下产生感应电荷的现象。这类材料称为这类材料称为电介质，电介质，可分为可分为极性介质极性介质和和非极性介质非极性介质。电介

43、质极化示意图电介质极化示意图一、极化的基本概念一、极化的基本概念 没有电场时，其正负电荷中心重合，对外不显示极性。没有电场时，其正负电荷中心重合，对外不显示极性。 电偶极子：电偶极子：当外电场作用时，粒子的正电荷沿着电场方当外电场作用时，粒子的正电荷沿着电场方向移动，负电荷逆着电场方向移动，形成电偶极子。正向移动，负电荷逆着电场方向移动，形成电偶极子。正电荷和负电荷的电量大小相等。电荷和负电荷的电量大小相等。电偶极矩：电偶极矩：正电荷与负电荷的位移矢量为正电荷与负电荷的位移矢量为u，则此偶极，则此偶极子的电偶极矩子的电偶极矩=qu，并规定其方向从负电荷指向正电荷。，并规定其方向从负电荷指向正电

44、荷。外电场越强，电偶极矩越大外电场越强，电偶极矩越大。电介质极化示意图电介质极化示意图电偶极子电偶极子1、非极性介质、非极性介质 没有电场时，没有电场时，由于分子的热运动，电偶极矩的排列是由于分子的热运动，电偶极矩的排列是无序的，整个介质呈电中性，无序的，整个介质呈电中性，对外也不显示极性对外也不显示极性。 施加外电场时施加外电场时，电偶极矩有，电偶极矩有转向外电场方向转向外电场方向的趋势。的趋势。 外电场越强，外电场越强，分子偶极子的排列越整齐，电介质表面的分子偶极子的排列越整齐，电介质表面的束缚电荷也越多，束缚电荷也越多，电极化的程度越高。电极化的程度越高。极性和非极性介质在外电场取消后，

45、束缚极性和非极性介质在外电场取消后，束缚电荷随之消失电荷随之消失。2、极性介质：每个分子存在固有电偶极矩、极性介质：每个分子存在固有电偶极矩 (1) 极化率极化率 单位电场强度下，介质粒子的电偶极矩的大小。单位电场强度下，介质粒子的电偶极矩的大小。 =/ElocEloc为作用在粒子上的局部电场。为作用在粒子上的局部电场。表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，单位表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，单位Fm2。 (2)极化强度矢量极化强度矢量P 电介质在电场作用下的极化程度。电介质在电场作用下的极化程度。 P表征单位体积中介质的感生电偶极矩表征单位体积中介质的感生电偶极矩，简称电矩。，简称

46、电矩。介质极化的主要性能指标：介质极化的主要性能指标： 介质的极化由介质的极化由电子极化、离子极化和偶极子转向极化电子极化、离子极化和偶极子转向极化组成的。组成的。 极化的基本形式：极化的基本形式： 位移式极化：位移式极化：弹性的弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量，、瞬时完成的极化，不消耗能量，是一种是一种自发过程自发过程，有电子位移极化和离子位移极化。有电子位移极化和离子位移极化。 松弛极化松弛极化：与粒子的热运动有关与粒子的热运动有关，属于，属于非弹性极化，非弹性极化，需需要一定的时间，要消耗能量，是要一定的时间，要消耗能量，是不可逆过程不可逆过程，有电子松弛极，有电子松弛极化和离子松弛极

47、化。化和离子松弛极化。 偶极子转向极化：偶极子转向极化：在极性分子介质中，是一个可逆过程。在极性分子介质中，是一个可逆过程。二、极化的基本形式二、极化的基本形式 介电常数介电常数：表示电容器：表示电容器(两极板间两极板间)在在有电介有电介质时的电容质时的电容与在真空状态与在真空状态(无电介质无电介质)时的电容时的电容相相比较时的增长倍数。比较时的增长倍数。 是是综合反映电介质极化行为综合反映电介质极化行为的一个主要宏观的一个主要宏观物理量。物理量。三、介电常数三、介电常数 松弛极化：松弛极化：T、； 位移极化和转向极化：位移极化和转向极化：T、。 频率频率 电场强度电场强度四、影响介电常数的因

48、素四、影响介电常数的因素 10.5 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 任何电介质在电场作用下，总是或多任何电介质在电场作用下，总是或多或少地把或少地把部分电能转成热能使介质发热部分电能转成热能使介质发热。 介质损耗介质损耗：电介质在电场作用下，在：电介质在电场作用下，在单位时间内单位时间内因发热而消耗的能量称为电因发热而消耗的能量称为电介质的耗损功率，简称介质损耗。介质的耗损功率，简称介质损耗。10.5 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 介质损耗是应用于交流电场中电介质的重介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。要品质指标之一。电介质电介质在电工或电子工业上在电工或电子工业上的的重

49、要职能是重要职能是直流绝缘直流绝缘和和贮存能量贮存能量，所以，所以介质介质损耗损耗不但消耗了能量，而且由于温度上升可能不但消耗了能量，而且由于温度上升可能影响元器件的正常工作。影响元器件的正常工作。 介质损耗越小越好介质损耗越小越好。10.5 电介质的介质损耗电介质的介质损耗 介质的损耗形式：介质的损耗形式：电导电导(漏导漏导)损耗、极化损耗、损耗、极化损耗、电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀的介质损耗。电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀的介质损耗。 影响材料介电损耗的因素：影响材料介电损耗的因素： 材料结构本身的影响：电导损耗、极化损耗材料结构本身的影响：电导损耗、极化损耗 外界环境或试验条

50、件的影响：外界环境或试验条件的影响：频率和温度频率和温度10.6 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度一、强电场作用下绝缘材料的破坏一、强电场作用下绝缘材料的破坏 电介质的击穿电介质的击穿：在强电场中工作的绝缘材料，在强电场中工作的绝缘材料，当所受的电压超过一临界值当所受的电压超过一临界值V穿穿时便丧失了绝缘性时便丧失了绝缘性能而击穿能而击穿(永久破坏永久破坏)的现象。的现象。V穿穿称为击穿电压。称为击穿电压。 抗电强度抗电强度(或介电强度或介电强度)：材料所能承受的材料所能承受的最大电最大电场强度场强度，其数值等于相应的，其数值等于相应的击穿场强击穿场强E穿穿。 E穿穿=V穿穿/d d为击穿

51、处试样的厚度。为击穿处试样的厚度。10.6 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度 固体介质的击穿固体介质的击穿同时伴随着材料的同时伴随着材料的永久永久破坏，破坏，是是不可逆过程不可逆过程； 而而气体及液体介质被击穿气体及液体介质被击穿后，随着外电后，随着外电场的撤消仍然能恢复材料性能，是场的撤消仍然能恢复材料性能，是可逆过程可逆过程。10.6 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度 V穿穿既与材料本身的性质有关，还与一系既与材料本身的性质有关，还与一系列的外界因素有关，如试样形状、温度、压列的外界因素有关，如试样形状、温度、压力等。力等。故故 E穿穿不仅表示材料的优劣，同时反不仅表示材料的优劣，

52、同时反映材料进行击穿试验的条件。映材料进行击穿试验的条件。 电介质的击穿形式有电介质的击穿形式有 电击穿、电击穿、 热击穿、热击穿、 化学击穿化学击穿二、击穿形式二、击穿形式 电击穿是一个电击穿是一个“电过程电过程”，只有电子参与。，只有电子参与。 强电场强电场作用下，处于热运动的作用下，处于热运动的少数少数“自由自由电子电子”将沿反电场方向定向运动，不断将沿反电场方向定向运动，不断撞击撞击介质内的离子介质内的离子，并将，并将部分能量传给离子部分能量传给离子。 外电场强度足够高外电场强度足够高时，时，自由电子自由电子定向运动定向运动的速度超过一临界值，可的速度超过一临界值，可使介质内的离子电使

53、介质内的离子电离出一些新的电子即次级电子离出一些新的电子即次级电子。1、电击穿、电击穿“雪崩电击雪崩电击”理论理论 自由电子和次级电子又有了一定的速度，自由电子和次级电子又有了一定的速度，又又撞击出第三级电子撞击出第三级电子。这样。这样连锁反应连锁反应，造成，造成大量自由电子形成大量自由电子形成“电子潮电子潮”，这个现象叫这个现象叫“雪崩雪崩”。 “雪崩雪崩”使贯穿介质的电流迅速增长，导使贯穿介质的电流迅速增长，导致介质的击穿致介质的击穿，往往是瞬息完成的。，往往是瞬息完成的。1、电击穿、电击穿“雪崩电击雪崩电击”理论理论E穿穿较高，且一定温度范围内较高，且一定温度范围内E穿穿变化不大。变化不大。电击穿电击穿能带理论能带理论 E增大，电子