材料电性能教学文案.ppt

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1、材料电性能欧姆定律I=V/R电阻R=L/SR：与材料性质和尺寸有关电阻率=RS/L：与材料性质有关、与尺寸无关电导率=1/：S/m（西门子每米）、S/cm2-1概述电导的宏观参数AreaLengthi一、电阻率（电导率）对一截均匀导电体，存在如下关系：工程上：相对电导率表征导体材料导电性能，即IACS%=/Cu%国际标准软纯铜（20℃时=0.01724•mm2/m)电导率作为100%，其它导体材料电导率与之相比的百分数——相对电导率例：FeIACS%17%；AlIACS%65%

2、根据材料导电性好坏，也即按值大小对材料分类导体材料<10-5•m纯金属、合金半导体材料10-3-109•m硅、锗绝缘体材料>109•m金刚石导体材料，导电性也有较大差异二、载流子电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质，存在带电荷的自由粒子，在电场下产生导电电流。电荷的载体：载流子载流子：电子、空穴、正离子、负离子迁移数：表征材料导电载流子种类对导电贡献的参数，也称输运数（transferencenumber)，即tx=x/T式中：x某种载流子输运电荷形成的电导率；T各种载流

3、子输运电荷形成的总电导率ti+—表示正离子的迁移数ti-—表示负离子的迁移数te-—表示电子的迁移数th+—表示空穴的迁移数当ti>0.99——离子（电）导体ti<0.99——混合（电）导体2–2电子类载流子导电主要以电子、空穴作为载流子导电，可以是金属或半导体。一、金属导电机制1.经典电导理论认为：金属晶体中，离子构成晶格点阵，价电子完全自由（自由电子），弥散分布整个点阵中，运动遵循经典力学气体分子运动规律。自由电子间、自由电子与正离子间相互作用，即产生机械碰撞。无外电场作用：自由电子沿各方向运

4、动几率相等——不产生电流有外电场作用：自由电子沿电场方向运动——产生电流定向运动中，自由电子与正离子发生碰撞，受到一定阻碍作用——电阻基于这种认识，假设：—电子运动平均速度；n—自由电子密度（单位体积金属中自由电子数）；e—电子电荷量；m—电子质量；L—电子两次碰撞之间平均距离——自由程。导出电导率公式=ne2L/m分析：m、e—常数不同材料，n不同，不同；不同材料，点阵类型不同，L不同，不同；取决于电子动能大小，与温度有关。温度一定，n，L，，即金属导电性越好经典电导理论较好

5、地解释了金属导电本质。存在问题：（1）不能解释一价金属比二价、三价金属导电性好的事实；（2）不能阐述电阻率与温度的定量关系；（3）不能解释超导现象。说明经典电导理论是不完善。2.量子电导理论简介量子电导理论与经典电导理论重要区别经典电导理论认为：在外电场作用下，所有自由电子对电流有贡献或参与导电；量子电导理论认为：只有费米能级附近电子（较高能态自由电子）对电流有贡献或参与导电。另外，量子电导理论认为：1）电子运动具有波动性（电子具有波粒二象性）；2）金属正离子在晶格结点上作热振动，不是静止的；3）

6、热振动正离子对电子波（作波动电子）有散射作用，改变波方向按能带理论可推导出电导率表达式=nefe2LF/m*vF公式与经典电导理论公式形式相似，但式中nef、LFm*含义不同。nef：单位体积内实际参加传导过程电子数；m*：电子有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果；LF：费米面附近电子的平均自由程；vF：费米面附近电子平均运动速度公式不仅适用于金属，也适用非金属，能完全反映晶体导电的物理本质。量子力学可以证明：当电子波在0K下通过一个理想晶体点阵，不会受到散射而无阻碍地传播即=0，=只有

7、晶体点阵完整性遭到破坏地方，电子波才会受到散射，产生阻碍作用，降低导电性——产生电阻本质温度引起离子运动振幅变化，晶体中异类原子、位错和点缺陷等都会引起理想晶体点阵完整性遭到破坏，电子波在这些地方发生散射而产生电阻。令=1/L称为散射系数，则有=1/=（m*vF/nefe2）公式表明：随散射系数而变化，温度升高，离子振幅越大，电子越易受到散射，故认为与温度成正比，金属电阻随温度升高而增大的原因。3.马西森定律（MatthiessenRule）总电阻包括基本电阻和杂质引起电阻——马西森定

8、律即=i=（T）+（残）（T）与温度有关的金属基本电阻率，即溶剂金属电阻率；（残）决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻率。化学缺陷：偶然存在的杂质原子和人工加入合金元素的原子物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们复合体（残）大小可反映金属纯度和完整性。考虑（残）测量麻烦，采用相对电阻率（300K）/（4.2K）大小评定金属纯度。二、影响金属导电性的因素1.温度对金属电阻影响温度越高，金属电阻越大。电阻率与温度关系T=0（1+T）0—金属在0