《金属材料电学》课件

金属材料电学本课程将深入探讨金属材料的电学特性，涵盖导电机理、电阻率、超导现象、磁性材料等重要内容，旨在帮助您理解金属材料在电子器件中的应用原理。课程概述课程目标了解金属材料的导电机制、电阻率和超导现象等基本概念。主要内容导电机理、电阻率、超导现象、磁性材料等。导电机理1自由电子模型金属中的自由电子在电场作用下定向移动形成电流。2能带理论金属中的电子占据能带，导带中的自由电子可以移动形成电流。自由电子理论1金属键金属原子失去电子形成金属阳离子，电子在金属晶格中自由移动。2电子云金属中的自由电子形成电子云，使金属具有良好的导电性和延展性。3自由电子金属中自由移动的电子，在外电场作用下定向移动形成电流。电子状态密度1能带结构金属中电子的能级分布形成能带，导带中的电子密度决定了材料的导电性。2状态密度在特定能量范围内，电子可能占据的能级数量，反映了电子运动的可能性。3导电性导带中的电子状态密度越高，金属的导电性越好。法拉第定律1电解电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应。2电解重量电解过程中析出的物质质量与通过的电量成正比。费米能级能量金属中电子占据的最高能量级，反映了金属中的电子状态。温度温度升高，费米能级升高，导电性增强。电阻率定义材料抵抗电流流动的能力，单位为欧姆米。影响因素温度、杂质、晶格缺陷等。电阻温度系数定义温度变化1摄氏度，电阻变化的百分比。正温度系数温度升高，电阻增大。负温度系数温度升高，电阻减小。超导现象1发现1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现汞在4.2K以下电阻为零。2特性零电阻、完全抗磁性、迈斯纳效应等。3应用超导磁体、超导传输线、超导量子干涉仪等。超导材料的分类低温超导体临界温度低于30K，如铌、铅、汞等。高温超导体临界温度高于30K，如氧化铜超导体、铁基超导体等。超导原理电子配对超导状态下，电子与晶格相互作用形成库珀对。能隙库珀对形成能隙，阻止电子散射，导致零电阻。BCS理论理论框架解释了超导现象的微观机制，基于电子配对和能隙的概念。重要意义奠定了超导理论的基础，推动了超导材料和应用的发展。伦敦方程第一伦敦方程描述超导体中电流与磁场的联系，解释迈斯纳效应。第二伦敦方程描述超导体中磁通量的量子化现象。磁通量量子化现象超导体中磁通量只能取量子化的值，即磁通量量子。应用超导量子干涉仪、超导磁体等。约瑟芬效应1直流约瑟芬效应超导隧道结中，当电流小于临界电流时，会产生直流电压。2交流约瑟芬效应超导隧道结中，当电流大于临界电流时，会产生交流电压。长约瑟芬效应原理基于超导隧道结和长约瑟芬结的组合，可以实现高精度测量。应用超导量子干涉仪、超导传感器等。拥有能隙的金属能隙金属中电子能带之间存在能隙，阻碍电子运动，导致电阻。半导体半导体材料的能隙较小，温度升高，电子可以越过能隙，导电性增强。磁性材料1铁磁性材料中存在自发磁化，具有很强的磁性。2反铁磁性材料中磁矩反向排列，磁性较弱。3顺磁性材料中磁矩随机排列，在外磁场作用下被磁化。4抗磁性材料中磁矩在外磁场作用下反向排列，表现出弱磁性。磁化强度1定义材料被磁化后，单位体积磁矩的矢量和。2测量方法利用磁强计测量磁化强度，反映材料的磁性强弱。3应用磁记录、磁存储、磁传感器等。磁化曲线1磁滞现象磁化强度随外磁场变化的曲线，表现出磁滞现象。2磁滞回线磁化曲线形成闭合的磁滞回线，反映材料的磁性性质。磁导率磁场强度外磁场在材料中的强度，决定材料被磁化的程度。磁化强度材料被磁化后的磁矩强度，反映材料的磁性强弱。软磁材料特性易磁化，磁滞回线窄，磁导率高，适合制作电磁铁、磁芯等。应用变压器、电机、磁头、磁记录等。硬磁材料特性不易磁化，磁滞回线宽，磁导率低，适合制作永久磁铁。应用电机、磁性元件、磁悬浮等。磁性应用1磁记录利用磁性材料记录信息，如硬盘、磁带等。2磁传感器利用磁性材料感知磁场变化，如磁罗盘、磁力计等。3磁悬浮利用磁性材料实现物体悬浮，如磁悬浮列车。磁记录原理利用磁性材料的磁化状态记录信息，通过读写磁头进行读写操作。应用硬盘、磁带、磁卡、磁条等。磁光效应法拉第效应磁场作用下，光波偏振面发生旋转。克尔效应磁场作用下，反射光发生偏振变化。磁光记录原理利用磁光效应实现信息的记录和读取，光束照射磁性材料，改变其磁化状态。应用光盘、