1金属导电理论 经典自由理论 电导率σ

ne2Ine2_1金属导电理论经典自由理论电导率0==tm是自由电子质量e是自由电子V为电子运动2mv2V为电子运动电荷t为电子两次碰撞之间的平均时间1为电子两次碰撞之间的平均距离的平均速度n为单位体积内的自由电子数量子自由电子理论九二h二h=芋为波数mvp=芋为波数m为电子质量v为电子的速度九为波长p为电子的动量h为普朗克常量Kne2Ine2_ne212m*电导率b=丁#=et=e电阻率p=卩n伴为单位体积内实际参与导2m*v2m*2m*une2ef/eff电的电子数称为有效自由电子数m*表示电子的有效质量卩为单位时间内散射的次数称为散射系数能带理论2马基申定则p=p（T）+pr3用能带定理解释导体，半导体，绝缘体的导电性如果允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或是允带相互重叠，如图abc,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上去而产生电流，具有这种能带结构的材料就是导体。所有金属都属于导体。若允带所有的能级都被电子填满，这种能带称为满带。若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，如图d，由于满带中的电子没有活动的余地，即便是禁带上面的能带完全是空的（空带）在外电场的作用下电子也很难跳过禁带。也就是说，电子不能趋向一个择优方向运动，即不能产生电流。具有这种能带结构的材料是绝缘体。半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，如图e，电子跳过禁带不像绝缘体那么困难。满带中的电子受热振动等因素的影响，能被激发跳过禁带而进入上面的空带，在外电场作用下空带中的自由电子便产生电流4本征半导体的电学特性1）本征激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子密度与空穴密度相等，都是等于本征载流子的浓度n2）禁带宽度E越大，载流子的浓度n越小，igi3）温度升高时载流子浓度n增大4）载流子浓度n与原子密度相比是极小的，所以本征半ii导体的导电能力很微弱5杂质半导体特性1）掺杂浓度与原子密度相比虽比较微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著增强。掺杂浓度越大，其导电能力也越强2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素（施主杂质）时，主要靠自由电子导电，当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电。6n型半导体电阻率随温度的变化规律在低温区，施主杂质并未全部电离。随着温度的升高，电离施主增多使导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振动尚较微弱，散射的主要机制为杂质电离，因而载流子的迁移率随温度的上升而增加。尽管电离施主数量的增

多在一定程度上也要限制迁移率的增加，但综合的效果仍然使电阻率下降。当升高到一定温度后杂质全部电离，称为饱和区。由于本征激发尚未开始，载流子浓度基本保持恒定。然而这是点阵振动的声子散射已起主要作用而使迁移率下降，因而导致电阻率随温度的升高而增高。温度的进一步升高，进入本征区,由于本征激发，载流子随温度而显著增加的作用已远远超过声子散射的作用，故又使电阻率重新下降7介质极化的基本形式1）电子式极化在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电偶极矩而使介质极化的现象称为电子式极化又称电子位移极化2）离子式极化在离子晶体中，除离子中的电子要产生位移极化外，处于点阵结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化又称离子位移极化3）偶极子极化偶极分子在无外电场时就有一定的电偶极矩p,但因热运动缘故，它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电偶极矩为零。但有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电偶极矩，形成极化。此极化称为偶极极化或固有电偶极矩的转向极化4）空间电荷极化在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并积累这种正负离子分离所形成的极化称为空间电荷极化8超导体的三个特性和三个性能指标特性1）它的完全导电性2）它的完全抗磁性3）它的通量量子化性能指标D超导体的临界转变温度Tc，转变温度越接近室温其使用价值越高2）临界磁场强度H3）临界电流密度c9冷加工变形使电阻增大的原因冷加工变形引起金属的电阻率增大这是由于冷加工变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果。此外，冷加工变形使原子间距有所改变，也会对电阻率产生一定影响。若对冷加工变形的金属进行退火，使他产生回复和再结晶，则电阻下降10固溶体电阻较高原因一般情况下，形成固溶体时合金的电导率降低，即电阻率增高。即使是在导电性差的金属溶剂中溶入导电性很好的溶质金属时，也是如此。固溶体电阻率比纯金属高的主要原因是溶质原子的溶入引起溶质点阵的畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子的散射几率，使电阻率增大。同时，由于固溶体组元间化学相互作用（能带，电子云分布等）的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增高12抗磁性来源物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生，而是由外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的13顺磁性来源和产生条件材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩产生顺磁性的条件是原子的固有磁矩不为零。在如下几种情况下原子或离子的固有磁矩不为零1具有奇数个电子的原子或点阵缺陷2内壳层未被填满的原子或离子。金属中主要有过度族金属a壳层没有填满电子）和稀土族金属f壳层没有填满电子）14外斯假说的内容1在铁磁物质内部存在着很强的与外磁场无关的分子场，在这种分子场的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发的磁化至饱和，称自发磁化2在居里点以下，铁磁体自发磁化成若干个小区域（这些自发磁化至饱和的小区域称磁畴）在无外磁场时，由于热力学上的原因各个区域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此取消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。只是在外磁场的影响下，磁畴中磁化强度的取向和磁畴体积才发生变化，这就使得物体中出现宏观的磁化强度。可见对于铁磁体而言，磁场的作用不是像顺磁体的情况那样增加真实磁化强度，而只是克服掩盖整个物体自发磁化的次要因素15铁磁性产生条件1原子内部要有未填满的电子壳层2a/r大于3使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩（固有磁矩）不为零，后者指的是要有一定的晶体点阵结构16根据自发磁化的过程和理论，可以解释许多铁磁特性，温度对铁磁性的影响。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度M下降，直到温度高于居里点，完全破坏原子磁矩的规则取向，自发磁化就不存S在了，材料由铁磁性变为顺磁性。书60页第六节三段为填空判断，可自行撕书18布洛赫壁畴壁是一个过渡区，有一定的厚度。磁畴的磁化方向在过渡区中逐步改变方向。整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，这种壁叫布洛赫壁19磁心在不可逆交变磁化过程中所消耗的能量，统称为铁心损耗，简称铁损。它由磁滞损耗P涡流损耗P和剩余损耗P三部分组成，总的磁损耗功率为P=P+P+Pnecnec20涡电流的流动，在每个瞬间都会产生与外磁场产生的磁通方向相反的磁通，越到材料内部，这种反向的作用就越强，致使磁感应强度和磁场强度沿样品截面严重不均匀。等效来看，好像材料内部的磁感应强度被排斥到材料表面这种现象叫趋肤效应21在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是磁后效引起的22固体的热容源于受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功23固体热容理论三个阶段经典热容理论爱因斯坦量子热容理论德拜量子热容理论24一级相变二级相变热焓与热容的变化规律一级相变在相变温度T0下，热焓H发生突变，比定压热容c为无限大。由于相变在恒温恒压下发生，这种相变的潜热（热效应）即Pii为曲线跃变所对应的热焓变化值，即△H=AQ二级相变其热焓H随温度升高逐渐增大，接近相变点T。时，由于转变的数量急剧增大，H的变化加剧，但不像一级相变那样发生突变，其比定压热容c在转变温度附近也有剧烈变化，但为有限值。P25差热分析法是在程序控制温度下，测量处于同一条件下样品与标准样品（参比物）的温度差与温度或时间的关系，对组织结构进行分析的一种技术。26引起热膨胀的原因固体材料的热膨胀与原子的非简谐振动（非线性振动）有关。简单来说，温度升高，原子振幅增加，导致原子间距增大，因此产生热膨胀。当原子作热振动时，如果原子相对于平衡位置的位移和原子间相互作用力呈线性关系，并相对于平衡位置作等距离左右位移时所受的力相等，则温度变化只能改变原子振动的振幅，而不会改变原子间距，即原子振动的中心位置不变，不会引起热膨胀。实际上,原子热振动时，原子的位移和原子间的相会作用力呈非线性和非对称关系，因而引起热膨胀。27判断题178页自行撕书28解释亚共析钢加热过程组织变化对亚共析刚的加热膨胀曲线来说，共析转变后，紧接着发生的先共析铁素体向奥氏体的转变，也将伴有体积收缩效应，故曲线下降发生在一个温度区间。与此所对应的拐折温度为A和A，冷却时则为A和A。由于热滞后作用，A和clc3r3r1r3A将向较低温度方向移动。r129不同温度的物质或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移称为热传导30热传导过程就是材料内部的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子，声子（点阵波）和光子（电磁辐射）。因此固体的导热包括电子导热，声子导热和光子导热31金属的热电效应塞贝克效应由于温差而产生的热电现象称为塞贝克效应珀耳帖效应1834年珀耳帖发现电流通过两种金属A,B的接点时，除了因电流流经电路而产生的焦耳热外，还会在接点处额外产生吸热或放热效应。这种热电现象称为珀耳帖效应汤姆逊效应1847年汤姆逊发现，当电流通过一个有温差的金属导体时，在整个导体上除产生焦耳热外还会产生放热或是吸热现象这种热电现象称为汤姆逊效应32金属及合金的热电势取决于它们的成分和组织状态。不同金属由于其电子逸出功和自由电子密度不同，故热电势不同33热应力来源1因热胀冷缩受到限制而产生的热应力2多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生的热应力3因温度梯度而产生热应力34提高抗热冲击断裂性能的措施1提高材料强度O,减小弹性模量E,使o/E提高2提高材料的热导率入，使R'提咼3减小材料的热膨胀系数a4减小表面热传递系数h5减小l产品的有效厚度rma（1-口）35计算第一热应力断裂抵抗因子RR二fa是材料抗拉强度或强度极限a'是aEf1l九a（1-口）材料线膨胀系数E是材料弹性模量第二热应力断裂抵抗因子R'R=/九是Ea热导率1、以铁磁单晶体为例，解释磁畴形成过程（论述）根据自发磁化理论，在冷却到居里点以下而不受外磁场作用的铁磁晶体中，由于交换作用使整个晶体自发磁化到饱和。显然，磁化应沿晶体的易磁化轴，这样才能使交换能和磁晶各向异性能均处于最小值。但因晶体有一定的形状和大小，整个晶体均匀磁化的结果必然产生磁极。磁极的退磁场却给系统增加了退磁能。以单轴晶体如钻为例，分析图所示的结构，可以了解磁畴结构的起因，其中每一个分图表示铁磁单晶的一个截面，图a表示整个晶体均匀磁化为单畴。由于晶体表面形成磁极的结果，这种组态退磁能最大。从能量的观点，把晶体分为两个或四个平行反向的自发磁化区域可大大降低退磁能，如图be所示。当此题被分为n个区域时，退磁能降到原来的1/n。但由于两个相邻磁畴间畴壁的存在，有需要增加一定的畴壁能，因此自发磁化区域的划分并不是可以无限的小，而是以畴壁能及退磁能相加等于最小值为条件。为了进一步降低能量，可以形成图d或e所示的磁畴结构，其特点是晶体边缘表面附近为封闭磁畴，即出现三角形封闭畴。他们具有封闭磁通的作用，使退磁能降为零。但是由于封闭畴与主轴的磁化方向不同，引起的磁滞伸缩不同，因此会产生磁晶各向异性能和磁弹性能。这样，只有当铁磁体的各种能量之和具有最小值时，才能形成平衡状态的磁畴结构。2、根据杂质理论解释技术磁化过程（论述）在未加外磁场时，材料是自发磁化形成的两个磁畴，畴壁通过杂质颗粒。当外磁场H逐渐增加时，与外磁场方向相同的磁畴将通过畴壁的移动而扩大。壁移的过程就是壁内原子磁矩依次转向的过程，最后可能变为几段圆弧线，（如图b）但它暂时还不会脱离杂质物。如果此时取消外磁场，则畴壁又会自动迁回原位，因为原位状态能量最低。这就是所谓畴壁可逆迁移阶段。由这里还可以看出，虽然一个畴扩大，另一畴减小，但变化都不大，这就相当于虽然外磁场增加，但材料的磁化强度增加不多，此时磁化曲线较为平坦，磁导率不高。当外界磁场继续增强，一旦弧形磁畴壁的总长超过不通过杂质物时的长度，磁畴壁就会脱离杂质物迁移到虚线位置如图e，进而自动迁移到下一排杂质物的位置，处于另一稳态，如图d