1、 材料的電學性能 師體海1 導電性 2 晶體的能帶3 金屬、合金的導電性4 超導電性5 接觸電性6 熱電性7 壓電性、8 鐵電性、9 光電性、10 磁電性11 紡織材料的電學性能材料的電學性能 1 導電性描述材料導電性的基本物理量： 電阻R、電阻率和電導率。電阻的測量： 電阻及電阻率的計算： 電阻率和電導率的關系: 根據電阻率和電導率的大小，判定材料導電性能好壞，并進行分類。導 體： 10-5 m半導體： 10-3 109 m造成材料導電性差異的主要原因:能帶結構及其被電子填充的性質有關。2 晶體的能帶晶體的能帶分為：價帶、禁帶和導帶。 晶體的導電性是其能帶分布的反映。其價帶是否被填滿，是否存

2、在禁帶，以及禁帶寬度的大小等因素決定其導電性能。2.1 導體和非導體的區別價帶導帶金屬導體的能帶分布特點:無禁帶第一種：價帶和導帶重疊。第二種：價帶未被價電子填滿，價帶本身就是導帶。價帶（導帶） 這兩種情況下的價電子就是自由電子，所以金屬即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強的導電能力。半導體和絕緣體的能帶分布情況:在絕對零度時，滿價帶和空導帶，基本無導電能力。非導體的能帶分布特點:有禁帶 2.2半導體和絕緣體的區別禁帶寬度的大小。半導體：禁帶寬度小。絕緣體：禁帶寬度大。價帶導帶價帶導帶禁帶E禁帶E金剛石 E = 6 eV硅 E = 1.1 eV絕緣體半導體半導體: 禁帶寬度小。在

3、室溫下，一部分價電子能獲得大于禁帶寬度的能量E，躍遷到導帶中去，成為自由電子，同時在價帶中形成空穴，這樣就使半導體具有一些導電能力。絕緣體: 禁帶寬度大。在室溫下，幾乎沒有價電子能躍遷到導帶中去，故基本無自由電子和空穴，所以絕緣體幾乎沒有導電能力。金屬導電的機制：3 金屬、合金的導電性 在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶體點陣中定向傳播。 在外電場的作用下，自由電子在導體中定向移動。經典理論量子理論3.1 金屬導電的機制與馬基申定律根據量子電子論和能帶理論得出電導率計算公式： e 電子的電荷量，n* 單位體積內的有效電子數，m*電子的有效質量，電子兩次相鄰散射的時間間隔。令：（散射系數

4、）其中：則電阻率為：電阻的本質 電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產生阻礙作用，降低了導電性。 電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將不會受到散射，無阻礙傳播，電阻率為0。電阻產生的機制（3）晶體點陣的完整性被破壞（存在雜質原子、晶 體缺陷等），對電子波產生散射。（1）晶體點陣離子的熱振動（聲子），對電子波產 生散射。（2）晶體點陣電子的熱振動，對電子波產生散射。原因（1）、（2）產生，0K時為0。電阻基本電阻：殘余電阻：原因（3）產生，0K時的電阻。馬基申定律金屬固溶體電阻率：基本電阻率(T)：由熱運動引起，與溫度有關。殘余電阻率C：決定于化學缺陷和物理缺陷， 與溫度無關。3.2

5、影響金屬導電性的原因1. 溫度對金屬電阻的影響（1）一般規律其大小決定于晶體缺陷的類型和數量。0 K 時：極低溫時：電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基 本電阻與溫度的平方成正比。( T 2 K ) 隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，并占據主導地位。 根據德拜理論，原子熱振動存在兩個規律性區域，區分區域的溫度被稱為德拜溫度D。時：時： 純金屬的電阻溫度系數大多近似為 ，過渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的值為（2）過渡族金屬和多晶型轉變 在過渡族金屬中電阻與溫度的關系復雜，Mott認為這是由于過渡族金屬中存在著不同的載體。 傳導電子有可能從 s- 殼層向 d- 殼層過渡，對電阻帶來明顯

6、影響。另外，在 時，s態電子在 d 態電子上的散射將變得很可觀。 因此，金屬室溫以上的線性關系被破壞。過渡族金屬金屬多晶型轉變 多晶型金屬的不同結構具有不同的物理性質，電阻溫度系數也不同，電阻率隨溫度變化將發生突變。（3）鐵磁金屬的電阻-溫度關系反常 鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發生鐵磁-順磁的磁相轉變，從而導致電阻-溫度關系反常。2. 受力情況對金屬電阻的影響（1）拉力的影響（2）壓力的影響 在彈性限度內，單向拉伸或扭轉應力能提高金屬的電阻率。0 為無負荷電阻率， 應力系數，為拉應力。 對于大多數金屬，壓力能降低金屬的電阻率。3. 冷加工對金屬電阻的影響 冷加工的形變使金屬的電阻率提高

7、。4. 晶格缺陷對金屬電阻的影響 晶格缺陷使金屬的電阻率提高。5. 熱處理對金屬電阻的影響 冷加工后，再退火，可使電阻降低。當退火溫度接近于再結晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。 但當退火溫度高于再結晶溫度時，電阻反而增大。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。 淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產生殘余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。6. 幾何尺寸效應對金屬電阻的影響 當試樣的尺寸與導電電子的平均自由程在同一數量級時，電子在表面發生散射，產生附加電阻。7. 電阻率的各向異性 一般立方晶系的單晶體電阻表現為各向同性，但對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導電性表現為各向異性。 多晶體各向同

8、性。3.3 合金的導電性3.3.1 固溶體的導電性1. 固溶體的電阻與組元濃度的關系 在形成固溶體時，與純組元相比，合金的導電性能降低（電阻增大）。即使是在低導電性的金屬溶劑中加入高導電性的金屬溶質也是如此。原因主要原因：原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了 對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越 大，越明顯。（與合金熱阻的規律相同）另外還有：（1）雜質對理想晶體的局部破壞。 （2）合金化對能帶結構起了作用，改變了 電子能態的密度和有效電子數。 （3）合金化影響了彈性常數，點陣振動的 聲子譜改變。 在連續固溶體中，合金成分距組元越遠，電阻率越高。在二元合金中，最大電阻率一般出現在 50% 濃度處

9、，而且比組元電阻高幾倍。s4.1 超導電性什么是超導體？1. 零電阻 將超導體冷卻到某一臨界溫度（TC）以下時電阻突然降為零的現象稱為超導體的零電阻現象。不同超導體的臨界溫度各不相同。1911年昂納斯首先發現，汞在低于臨界溫度4.15K時電阻變為零。4 超導電性、接觸電性、熱電性 目前已查明在常壓下具有超導電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。 元素的超導電性參數？ 超導現象首先是在導體中發現的，其轉變溫度最高的是Nb3Ge為23.2K。 1986年貝諾茲和穆勒在對La-Be-Cu-O

10、系的研究中發現了超導現象，其轉變溫度達到35K。 開始了新型超導體的研究熱潮，超導轉變溫度不斷被提高。 Y-Be-Cu-O系（ 90K ）， Be-Sr-Ca-Cu-O系（ 110K ），Ti-Be-Ca-Cu-O系（ 120K ），被稱為高溫超導體。超導體的性能1、完全的導電性 昴尼斯實驗證明： 超導體在超導態時是等電位的，電阻為0。 將超導體做成環在溫度TTC放入磁場中，環中無電流。將溫度降到Tc以下，也無電流產生，此時撤去磁場，環內將有感生電流產生，電流不隨時間而衰減。表明超導體在超導態時是等電位的，電阻為0。2. 完全抗磁性 當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉變為超導態后，只要周圍的外加磁

11、場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會把穿透到體內的磁力線完全排斥出體外，在超導體內永遠保持磁感應強度為零。超導體的這種特殊性質被稱為“邁斯納效應”。 邁斯納效應與零電阻現象是超導體的兩個基本特性，它們既互相獨立，又密切聯系。 超導體的完全抗磁性機理： 這是由于外磁場在試樣表面感應產生一個感應電流，此電流由于所經路徑電阻為零，故它所產生的附加磁場總是與外磁場大小相等，方向相反，因而使超導體內的合成磁場為零。 因此感應電流能將外磁場從超導體內擠出，故稱抗磁感應電流或屏蔽電流。超導電性的影響因素和基本臨界參數 溫度（TC）超導體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導性。臨界電流密度（JC）通過超

12、導體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導體的超導性。臨界磁場（HC）施加給超導體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導體的超導性。以上三個參數彼此關聯，其相互關系如右圖所示。 超導材料的應用超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能。 由于超導材料在超導狀態下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩態強磁場。而用常規導體做磁體，要產生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導磁體可用于制作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。1957年，巴丁、庫柏和施瑞費發現BCS理論。超導現象產生的原因： 超導現象的物理本質 是由

13、于超導體中的電子在超導態時，電子之間存在著特殊的吸引力，使得電子雙雙結成電子對（庫柏電子對），它是超導態電子與經各點陣相互作用的結果。 當超導態中的某一電子在晶體中運動時，它周圍的正離子點陣將被這個電子的吸引向其靠攏以降低靜電能，從而使此局部區域的正電荷的密度增加，而這個正電荷區域又會對另一個電子產生吸引力，正是這種引力克服了電子間的靜電斥力，使得兩個動量和自旋方向相反的電子結成電子對。成為庫柏電子對。超導態由于電子結成庫柏對，使得能量降低而成為穩定態。當兩種材料在它們接觸的效界面上產生的載流子的某種行為，由此引起的兩種材料單獨存在時所沒有的新的電學效應，稱為接觸電效應。存在于兩種不同材料接觸

14、之中。如：金屬-金屬，金屬-半導體，金屬-電解質溶液，P型半導體-N型半導體，金屬-氧化物-半導體。2.11.1 金屬-金屬的接觸電效應 1. 金屬電子的逸出功 金屬中自由電子逃逸出金屬表面所需要的最小能量。用表示5 接觸電性5 接觸電性金屬表面勢壘 -E0電子具有的最大動能，費米能EF，逸出功 = E0 - EF 逸出點位 V= /e 金屬的逸出功在光電子發射，熱電子發射，溫差電現象等用重要應用。2. 金屬-金屬接觸（MM結）5 接觸電性 兩個不同的金屬相互緊密接觸時，在接觸面附近形成的特殊區域。電子擴散5 接觸電性接觸電位差形成的原因之一：兩種金屬逸出功不同電子發生擴散形成空間電場擴散和漂

15、移相互競爭達到平衡狀態形成一定的電位差電位差：5 接觸電性接觸電位形成的原因之二：兩種金屬的自由電子密度不同電子發生擴散形成空間電場擴散和漂移相互競爭達到平衡狀態形成一定的電位差金屬的接觸電位差為這兩個原因形成電位差的疊加。材料中存在電位差時會產生電流，存在溫度差時會產生熱流，故因電位差、溫度差、電流、熱流之間存在著交叉聯系，構成熱電效應。2.12.1 第一熱電效應-塞貝克效應 兩種不同的導體（或半導體）組成一個閉合回路時，若在兩接頭處存在溫度差則回路中將有電位差及電流產生，稱為塞貝克效應。電位差與溫度差成正比。6 熱電性6 熱電性溫差電位差形成機制： 熱端的高能電子向冷端熱擴散，在兩端分別形

16、成異號電荷積累區，形成內電場，當擴散和漂移平衡時，形成穩定的電位差。溫差越高，電位差越大。不同的導體（或半導體）熱電勢率不同。6 熱電性 不同導體（或半導體）接觸形成的接觸電位差，是影響這一現象另一個原因。（在不同溫度下接觸電位不同）6 熱電性5、塞貝克效應的應用（1）溫度的測量（金屬）（2）溫差發電（半導體）塞貝克效應在半導體中比在金屬中更為顯著。6 熱電性 第二熱電效應-玻爾帖效應 當有電流通過兩個不同導體（或半導體）組成的回路時，除產生不可逆的焦爾熱外，還要有兩接頭處分別出現吸收或放出熱量Q的現象，Q稱為玻爾帖熱，此現象為玻爾帖效應，被認為是塞貝克效應的逆效應。被用于溫差制冷。原因：接觸

17、電位區的存在。電子在通過接觸區被減速時，動能減少，與原子碰撞后獲得能量，吸熱。反之放熱。6 熱電性 第三熱電效應-湯姆遜效應 當電流通過具有一定溫度梯度的導體時，會有一橫向熱流流入或流出導體，其方向視電流的方向和溫度梯度的方向而定，此現象為湯姆遜效應。原因：電子在通過溫差電位區被減速時，動能減少，與原子碰撞后獲得能量，吸熱。反之放熱。6 熱電性 熱電子效應 固體受熱后，出現大量電子逸出固體進入真空，形成電子發射的熱電現象稱為熱電子效應。1、熱電子發射機理固體受熱，內部自由電子的動能增加，當溫度足夠高、動能足夠大（大于逸出功），電子逸出固體表面。2、熱電子效應的應用電子管、X射線管，陰極射線管，

18、電子顯微鏡等6 熱電性4.3 壓電效應定義：在某些晶體（絕緣介電材料）的一定方向上施加壓力或拉力，則在晶體的一些對應的表面上分別出現正、負電荷，其電荷密度與施加的外力大小成正比。力致形變產生電極化。晶體的非中心對稱性是產生壓電效應的必要條件。常見的壓電晶體： 石英晶體、鈦酸鋇、鈮酸鋰等。7 壓電性2.13.2 壓電效應的應用壓電振蕩器(石英振蕩器）超聲發射器和接收器信號處理器壓電發電機、壓電馬達7 壓電性8 鐵電性鐵電性 介電材料中，無外加電場時，宏觀上并不表現出極化現象。在外電場的作用下，具有電極化滯后的現象（電滯）。這類材料稱為鐵電體。 鐵電體由于自發極化可以在內部形成若干均勻極化的區域，

19、它們的極化方向不同，這些區域稱為電疇。晶體宏觀上不表現出電極性。 鐵電體的特征是具有電疇結構的晶體，這些電疇的界面稱為“疇壁”。原因：8 鐵電性9 光電性光電性：某些物質（金屬和半導體）受到光照后，引起物質電性發生變化。原因： 是光子與電子相互作用的結果。光子主要是被吸收或改變頻率和方向；電子發生能量和狀態的變化，從束縛區域的狀態轉變到比較自由的狀態，因而導致物質電性的變化。2.16.1 外光電效應 固體受光照后從表面逸出電子的現象稱為外光電效應或光電發射效應，逸出的電子稱為光電子。 近代物理已確認了光的波粒二象性，外光電效應是光的粒子性的表現。同時愛因斯坦建立了如下公式：應用：光電倍增管。用

20、于探測各種高能粒子。9 光電性2.16.2 內光電效應 物體受光照后無電子發射，但其電導率發生變化或產生電動勢，這種現象稱為內光電效應。 1、光電導效應 半導體受光輻射時，電導率增加而變得易于導電。 半導體不受光輻射時，導帶中的自由電子極少，近似空帶，而價電子全部束縛于滿的價帶中，故電導率很小。要打破電子的這種分布格局，就必須輸入能量，以破壞原子間的價鍵，將電子從價帶提升到導帶-光電導效應。9 光電性應用：（1）光敏電阻（2）紅外光電導探測器（3）高速光電開關（4）光電導攝像管（5）靜電復印機的有機光電導體等光探測器。（2）光磁電效應 當在垂直與光照的方向上再加一個磁場，則在半導體的兩側端面間

21、將產生電位差，此現象稱為光磁電效應。9 光電性（3）PN結光生伏特效應 當光照射在PN結上，在PN結上會產生電動勢（電位差），此現象稱為PN結光生伏特效應。9 光電性10 磁電性 將運動的導體，通電的導體或半導體置于磁場中，產生電動勢（電位差）、電阻變化等，這類磁致電變的現象稱為磁電效應。2.17.1 霍爾效應 磁場對載流導體或半導體中的載流子有作用，致使產生橫向電位差的現象稱為霍爾效應。普通金屬的霍爾效應霍爾電壓與導體的寬度成正比?；舳禂礡H=1/nq，與載流子的濃度n成反比，正、副由載流子所帶電荷決定。 金屬載流子是電子霍耳系數為負值。P型半導體為正值，N型半導體為負值。10 磁電性2

22、. 半導體的霍爾效應 特點：1）效應更顯著；2）N型、P型3. 霍爾效應的應用10 磁電性2.17.2 磁電阻效應 磁場對載流導體或半導體中的載流子作用，致使電阻值發生變化的現象稱為磁電阻效應。 磁電阻效應分為：物理磁電阻效應、幾何磁電阻效應。 物理磁電阻效應是材料的電阻率隨磁場增大的效應，故又稱磁電阻率效應。 幾何磁電阻效應是電阻隨樣品幾何形狀而變化。 產生磁電阻效應的原因是磁場改變了載流子的漂移路徑，致使與外加電場同方向的電流分量減小，等價于電阻增大。磁場的方向與外電場相垂直時的磁電阻效應稱為橫向磁電阻效應，而二者平行時稱為縱向磁電阻效應。10 磁電性2.17.3 磁生電效應 磁動生電動勢

23、 磁感生電動勢10 磁電性2.9.2 電介質的介電常數11 絕緣體的電學性能11 紡織材料的電學性能一.紡織材料的介電性 二.紡織材料的導電性 三.紡織材料的靜電65一、紡織材料的介電性 1.介電系數 介電現象：指絕緣體材料(也叫電介質) 在外加電場作用下，內部分子形成電極化的現象。 由于電介質的極化，材料表面出現感應電荷，感應電荷使原電容器的電場強度減小，電容器的電容量增加（如圖）。 66 介電系數（介電常數） 衡量介電現象強弱的物理量，即材料在電場中被極化的程度，反映材料的儲電能力。67式中，C電容極板間填充電介質時的電容量; C0電容器極板間為真空時的電容量。2. 常見紡織材料的介電常數

24、 工頻條件下（50HZ）： 空氣，1； 液態水，20； 干紡材料，25 68材料的介電常數（頻率f50Hz，T=2025，RH=65%）材料或纖維材料或纖維棉6滌綸3.02羊毛6錦綸4蠶絲4.2固態水8081粘纖7.7真空1醋纖3.56.4空氣13.應用（1）測試紡織材料的回潮率 水的遠大于紡織材料，紡織材料重量一定回潮率不同，電容器的電容量不同。（2）測試紗線（條）的均勻性 紡織材料大于空氣的，平行金屬板電容器間的紗條粗細變化（纖維根數變化） ，電容量變化。 694.影響因素（1）纖維內部結構 分子量、極性基團的數量、堆砌密度（2）外部因素 溫度、回潮率、電場頻率70 4.介電損耗 在交變電場作用下，纖維材料的極性基團以及纖維內部的水分子會發生極化，極化分子部分地沿著電場方向定向排列，并隨著電場方向的變換不斷地作翻轉交變取向運動，分子間發生碰撞、摩擦、生熱，消耗能量。 電介質在電場作用下引起發熱而消耗能量，稱為介電損耗。71（1）紡材作為電工絕緣材料，介電損耗小為好，以免材料發熱引起老化。 （2）利用介電損耗，可對紡材進行烘干。同條件，水的介電損耗大，吸收絕大部分能量而很快蒸發，材料本身吸收的能量少。72二、導電性能 反映纖維材料導電性質的指標比電阻。 1.指標（1）體積比電阻v（