材料物理性能復習總結-15-第一章電學性能1.1材料的導電性QUOTE，ρ稱為電阻率或比電阻，只與材料特性有關，而與導體的幾何尺寸無關，是評定材料導電性的基本參數。ρ的倒數σ稱為電導率。一、金屬導電理論1、經典自由電子理論在金屬晶體中，正離子構成了晶體點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，稱為自由電子，它們彌散分布于整個點陣之中，就像氣體分子充滿整個容器一樣，因此又稱為“電子氣”。它們的運動遵循理想氣體的運動規律，自由電子之間及它們與正離子之間的相互作用類似于機械碰撞。當對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作定向加速運動，從而形成了電流。在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離子發生碰撞，使電子受阻，這就是產生電阻的原因。2、量子自由電子理論金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，可以在整個金屬中自由運動。但金屬中每個原子的內層電子基本保持著單個原子時的能量狀態，而所有價電子卻按量子化規律具有不同的能量狀態，即具有不同的能級。0K時電子所具有最高能態稱為費密能EF。不是所有的自由電子都參與導電，只有處于高能態的自由電子才參與導電。另外，電子波在傳播的過程中被離子點陣散射，然后相互干涉而形成電阻。馬基申定則：QUOTE，總的電阻包括金屬的基本電阻和溶質（雜質）濃度引起的電阻（與溫度無關）；從馬基申定則可以看出，在高溫時金屬的電阻基本取決于QUOTE，而在低溫時則決定于殘余電阻QUOTE。3、能帶理論能帶：由于電子能級間隙很小，所以能級的分布可看成是準連續的，稱為能帶。圖1-1(a)、(b)、(c)，如果允帶內的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉到另一個能級上去而產生電流，具有這種能帶結構的材料就是導體。圖1-1(d)，若一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即便是禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場作用下電子也很難跳過禁帶，具有這種能帶結構的材料是絕緣體。圖1-1(e)，半導體的能帶結構與絕緣體相同，所不同的是它的禁帶比較窄，電子跳過禁帶不像絕緣體那么困難，滿帶中的電子受熱振動等因素的影響，能被激發跳過禁帶而進入上面的空帶，在外電場作用下空帶中的自由電子產生電流。圖1-1能帶填充情況示意圖(a)、(b)、(c)金屬；(d)絕緣體；(e)半導體溫度對材料導電性的影響：溫度升高使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大，這些因素都使電子運動的自由程減小，散射幾率增加而導致電阻率增大。二、無機非金屬導電機理電導：材料在電場作用下產生漏電電流。載流子：對材料來說，只要有電流就意味著有帶點粒子的定向運動，這些帶點粒子稱為載流子。金屬材料電導的載流子是自由電子；無機非金屬材料電導的載流子可以是電子、電子空穴，或離子、離子空位。載流子是電子或電子空穴的電導稱為電子式電導，載流子是離子或離子空位的電導稱為離子式電導。本征電導：離子電導源于晶體點陣中基本離子的運動。雜質電導：離子電導是結合力比較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質。1.2半導體的電學性能一、本征半導體的電學性能本征半導體：純凈的無結構缺陷的半導體單晶。第二章磁學性能1.1磁性基本量及磁性分類一、磁化現象和磁性的基本量磁化：任何物質處于磁場中，均會使其所占的空間的磁場發生變化，這是由于磁場的作用使物質表現出一定的磁性，這種現象稱為磁化。磁化強度M：單位體積的磁矩。磁化率χ：磁化強度M與磁場強度H之比，表征磁介質屬性的物理量。磁導率μ：磁感應強度B與磁場強度H之比，表征磁介質磁性的物理量。磁感應強度B：通過垂直于磁場方向單位面積的磁力線數稱為磁感應強度。二、物質磁性的分類圖2-1五類磁體的磁化曲線示意圖(1)抗磁體：磁化率為很小的負數，它們在磁場中受微弱斥力，金屬約有一半簡單金屬是抗磁體。(2)順磁體：磁化率為正值，它們在磁場中受微弱吸力。(3)鐵磁體：在較弱的磁場作用下，就能產生很大的磁化強度，磁化率是很大的正數，且M或B與外磁場強度H呈非線性關系變化。鐵磁體在溫度高于某臨近溫度后變成順磁體，此臨近溫度稱為居里溫度或居里點。(4)亞鐵磁體：類似于鐵磁體，但磁化率沒有鐵磁體那么大。(5)反鐵磁體：磁化率是很小的正數，在溫度低于某溫度時，它的磁化率隨溫度升高而增大，高于這個溫度，其行為像順磁體。三、磁化曲線和磁滯回線飽和磁化強度Ms：隨磁化場的增加，磁感應強度B開始時增加較緩慢，然后迅速地增加，再緩慢地增加，最后當磁場強度達到Hs時，磁化至飽和，此時的磁化強度稱為飽和磁化強度，對應的磁感應強度稱為飽和磁感應強度Bs圖2-2鐵的磁滯回線磁滯：鐵磁材料從退磁狀態被磁化至飽和的技術磁化過程中存在著不可逆過程，即從飽和磁化狀態降低磁場H時，磁感應強度B將不沿著原磁化曲線下降而是沿bc緩慢下降，這種現象稱為“磁滯”。剩余磁感應強度：當外磁場降為0時，得到不為零的磁感應強度Br，稱為剩余磁感應強度。矯頑力：要將B減小到0，必須加一反向磁場-Hc，該反向磁場值稱為矯頑力。bc段：退磁曲線；bcdefgb：磁滯回線軟磁材料：矯頑力Hc很小而磁化率χ很大的材料。硬磁材料：Hc大而χ小的材料。矩磁材料：某些磁滯回線趨于矩形的材料。2.2抗磁性和順磁性一、原子本征磁矩原子磁矩包括電子軌道磁矩、電子的自旋磁矩和原子核磁矩三部分。原子中電子的軌道磁矩和電子的自旋磁矩構成了原子固有磁矩，即本征磁矩。二、抗磁性在磁場中電子繞中心核的運動只不過是疊加了一個電子進動（拉莫爾進動），如果繞核的平均電子流起初為零，施加磁場后的拉莫爾進動會產生一個不為零的繞核電子流，這個電流等效于一個方向與外加場相反的磁矩，因而產生了抗磁性。物質的抗磁性是由外加磁場作用下電子繞核運動所感應的附加磁矩造成的。三、順磁性材料的順磁性來源于原子的固有磁矩。產生順磁性的條件：原子的固有磁矩不為零——具有奇數個電子的原子或點陣缺陷；內殼層未被填滿的原子或離子。四、金屬的抗磁性和順磁性金屬的磁性要從以下四個方面考慮：正離子的順磁性、正離子的抗磁性、自由電子的順磁性和自由電子的抗磁性。正離子的抗磁性來源于其電子的軌道運動，正離子的順磁性來源于原子的固有磁矩，自由電子的順磁性來源于電子的自旋磁矩，電子運動都產生抗磁磁矩。2.3鐵磁性的物理本質自發磁化：在鐵磁物質內部存在著很強的與外磁場無關的“分子場”，在這種“分子場”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發的磁化至飽和。鐵磁性產生的原因當原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換位置，其本質是靜電作用力迫使相鄰原子的電子自旋磁矩有序排列。這種交換作用產生的附加能量稱為交換能Eex（QUOTE）。當A為正值時，φ=0時，Eex最大，相鄰自旋磁矩同向平行排列，即自發磁化，這就是鐵磁性產生的原因。鐵磁性產生的條件：原子內部要有未填滿的電子殼層；a/r（原子核之間的距離/參加交換作用的電子距核的距離）大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零，后者指的是要有一定的晶體點陣結構。2.4相關概念磁晶各向異性：在單晶體的不同晶向上，磁性能是不同的。磁晶各向異性能：磁化強度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性能。磁致伸縮：鐵磁體在磁場中被磁化時，其形狀和尺寸都會發生變化。磁致伸縮產生的原因：磁致伸縮是原子磁矩有序排列時電子間的相互作用導致原子間距調整而引起的，晶體點陣結構不同，磁化時原子間距的變化情況也不同，因此呈現不同的磁滯伸縮性能。鐵磁體在磁場中的能量為靜磁能，它包括鐵磁體與外磁場的相互作用能和鐵磁體在自身退磁場中的能量。后一種靜磁能常稱為退磁能。磁疇：在居里點以下，鐵磁體自發磁化成若干個小區域，這些自發磁化至飽和的小區域稱磁疇。相鄰磁疇的界限稱為疇壁。技術磁化：在外磁場作用下鐵磁體從完全退磁狀態磁化至飽和狀態的內部變化過程。技術磁化是通過兩種方式進行的，一種是磁疇壁的遷移，另一種是磁疇的旋轉。磁心在不可逆交變磁化過程中所消耗的能量，統稱為鐵心損耗，簡稱鐵損。它由磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三部分組成。磁后效：磁化強度（或磁感應強度）跟不上磁場變化的延遲現象。課后習題在磁場作用下，金屬離子都產生一定的抗磁性，為何只有部分金屬是抗磁金屬？答：抗磁性是電子軌道運動感應的，物質的抗磁性普遍存在。但原子往往還存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。當原子系統的總磁矩等于零時，抗磁性就容易表現出來，如果電子殼層未被填滿，即原子系統具有總磁矩時，只有那些抗磁性大于順磁性的物質才成為抗磁體。

第三章光學性能光通過固體時的現象：透過、吸收、反射和散射。3.1光的反射和折射影響折射率n的因素(1)構成材料元素的離子半徑：當介質材料的離子半徑增大時，其介電常數ε增大，折射率n也增大。(2)材料的結構、晶型和非晶態：對于非晶態和立方晶體這些各項同性的材料，當光通過時，光速不因傳播方向改變而改變，材料只有一個折射率，稱為均質介質；除立方晶體以外的其他晶型都是非均質介質，光進入非均質介質時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波，它們分別構成兩條折射光線，即雙折射。(3)材料所受的內應力：有內應力的透明材料，垂直于受拉主應力方向的n值大，平行于受拉主應力方向的n值小。(4)同質異構體：在同質異構材料中，高溫時存在的晶型折射率較低，低溫時的晶型折射率較高。3.2材料對光的吸收和色散朗伯特定律：QUOTE，它表明，在介質中光強隨傳播距離呈指數衰減，吸收系數α越大，材料越厚，光就被吸收得越多，因而透過后的光強度就越小。光的色散：材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質。材料的色散規律：(1)對于同一種材料，波長越短則折射率越大；(2)波長越短則色散率越大；(3)對于不同材料，在同一波長下，折射率越大者色散率越大；(4)不同材料的色散曲線間沒有簡單的數量關系。3.3介質的光散射光的散射：光在通過氣體、液體、固體等介質時，遇到煙塵、微粒、懸浮液滴或者機構成分不均勻的微小區域，都會有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來。光強與傳播距離的關系：QUOTE，αa和αs分別為吸收系數和散射系數。一、彈性散射彈性散射：散射前后，光的波長（或光子能量）不發生變化的散射。1、廷德爾散射當散射中心的尺度a0遠大于光波的波長λ時，σ→0，散射光強與入射光波長無關。2、米氏散射當散射中心尺度a0與入射光波長λ相當時，σ在0~4之間，具體數值與散射中心尺寸有關。3、瑞利散射當散射中心的線度a0遠小于入射光的波長λ時，σ=4，即散射強度與波長的4次方成反比（QUOTE）為什么晴天早晨的太陽呈鮮紅色而中午卻變成白色？答：在可見光的短波側λ=400nm處，紫光的散射強度要比長波側λ=720nm處紅光的散射強度大約大10倍，由于大氣及塵埃對光譜上藍紫色的散射比紅橙色強，一天內不同時刻陽光到達觀察者所通過的大氣層厚度不同，陽光透過大氣層越厚，藍紫色成分損失越多，因此到達觀察者的陽光中藍紫色的比例就越少。三、非彈性散射非彈性散射：頻率發生改變的光散射時入射光子與介質發生非彈性碰撞的結果。3.4材料的光發射材料的光發射是材料以某種方式吸收能量之后，將其轉化為光能，即發射光子的過程。光致發光：通過光的輻照將材料中的電子激發到高能態從而導致發光。陰極射線發光：利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內部的多次散射碰撞，使材料中多種發光中心被激發或電離而發光的過程。電致發光：通過對絕緣發光體施加強電場導致發光，或者從外電路將電子（空穴）注入到半導體的導帶（價帶），導致載流子復合而發光。發射光譜：在一定的激發條件下發射光強按波長的分布。激發光譜：材料發射某一種特定譜線（或譜帶）的發光強度隨激發光的波長而變化的曲線。發光壽命：發光體在激發停止之后持續發光的時間稱為發光壽命（熒光壽命或余輝時間）。發光效率：通常有三種表示法，即量子效率、功率效率和光度效率。量子效率ηq是指發射光子數nout與吸收光子數（或輸入的電子數）nin之比；功率效率ηp表示發光功率Pout與吸收光的功率（或輸入的電功率）Pin之比；光度效率ηl定義為發射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。3.5材料的受激輻射和激光激光：在外來光子的激發下誘發電子能態的轉變，從而發射出與外來光子的頻率、相位、傳輸方向以及偏振態均相同的相干光波。光的發射和吸收可經由三種基本過程：受激吸收、受激輻射和自發輻射。受激吸收就是固體吸收一個光子的過程，光子能量QUOTEh謂=E2-E1h謂=E自發輻射就是固體發射一個光子的過程，光子能量QUOTEh謂=E2-E1h謂=E2受激輻射的過程是：當一個能量滿足QUOTEh謂=E2-E1h激活介質：實現粒子數反轉的介質具有對光的放大作用，它是能產生光的受激輻射并起放大作用的物質體系。

第四章熱學性能4.1熱容與熱焓比熱容：單位質量的物體溫度升高1K所需的熱量。熱容：質量為m的物體溫度升高1K所需的熱量。在加熱與冷卻過程中外界壓力一定不變，稱為比定壓熱容；在加熱與冷卻過程中物體體積保持不變，則為比定容熱容。4.2熱膨脹熱膨脹：物體在加熱或冷卻時的熱脹冷縮現象。熱膨脹的物理本質溫度升高，原子振幅增加，原子的位移和原子間相互作用力呈非線性和非對稱的關系，導致原子間距增大，因此產生熱膨脹。圖4-43、4-44，自己看書，目測不會考！！線膨脹系數：單位長度的材料在某一溫度區間，溫度每升高1K的平均伸長量。體膨脹系數：單位體積的材料在某一溫度區間，溫度每升高1K的體積變化量。4.3熱傳導熱傳導：由于材料相鄰部分間的溫差而發生的能量遷移。單位時間內通過單位截面上的熱流密度q正比于該棒的溫度梯度QUOTEdTdxdTdx，即QUOTEq=-位dTdxq=-位dTdx。比例系數λ稱為熱擴散率QUOTEa=位蟻cpa=位蟻c熱阻率QUOTE，合金固溶體的熱阻分為基本熱阻（本征熱阻）ω(T)和殘余熱阻ω0兩部分，ω=ω0+ω(T)。熱傳導的物理機制(1)電子導熱和聲子導熱：對純金屬而言，電子導熱時主要機制；在合金中聲子導熱的作用要增強；在半金屬或半導體內聲子導熱常常與電子導熱相仿；在絕緣體內幾乎只存在聲子導熱一種形式。(2)光子導熱：通常可以不考慮光子導熱，因為只有在極高溫下才可能有光子導熱存在。4.4熱電性在金屬導線組成的回路中，存在著溫差或通以電流時，會產生熱能與電能相互轉換的效應，稱為金屬的熱電性。金屬的熱電效應1、塞貝克效應兩種金屬形成閉合回路時，當兩個接觸點處于不同溫度時，回路中將出現電流，稱為熱電流，產生這種電流的電動勢稱為熱電勢。這種由于溫差而產生的熱點現象稱為塞貝克效應。2、珀爾帖效應電流通過兩種金屬A、B的接點時，除了因電流流經電路而產生的焦耳熱外，還會在接點處額外產生吸熱或放熱效應。單位時間內兩種金