第十章-材料的电学性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 材料的电学性能,第一节 导电性能,第二节 热电性能,第三节 半导体导电性的敏感效应,第四节 介质极化与介电性能,第五节 电介质的介质损耗,第六节 绝缘材料的抗电强度,1,第一节 导电性能,一 电阻与导电的基本概念,1,导电,当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过,欧姆定律,2,电阻,与材料的性质有关，还与材料的长度及截面积有关,3,电阻率,只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关,评定导电性的基本参数,2,4,电导率,愈大，材料导电性能就越好,5,材料分类,导体、绝缘体和半导体,导电能力相差很大，决定于结构与导电本质,第一节 导电性能,二 导电机理,1,金属及半导体的导电机理,(1),经典电子理论,离子构成了晶格点阵,价电子是完全自由的（自由电子）,3,第一节 导电性能,(2),量子自由电子理论,原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态,价电子按量子化具有不同的能级,遵循经典力学气体分子的运动规律,自由电子定向运动中，要不断与正离子发生碰撞，是产生电阻的原因,电导率,金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度,4,第一节 导电性能,电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波,一价金属中自由电子的动能,E,K,为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数,从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度,(,或动量,),之间的关系,从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系,电子的波数越大，则能量越高,没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没有电流产生,5,第一节 导电性能,在外加电场的作用下，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电,只有处于较高能态的自由电子参与导电,缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，,形成电阻,超导现象,一价金属比二、三价金属导电性较好,6,第一节 导电性能,(3),能带理论,能带,金属中的价电子是公有化和能量是量子化,金属中由离子所造成的势场不是均匀的,价电子在金属中的运动要受到周期场的作用,能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的,禁带,允带,7,第一节 导电性能,能带结构,空能级,空能级电子是自由的，参与导电,导带,周期势场的变化幅度越大，禁带越宽,导体、绝缘体、半导体能带结构特点,8,第一节 导电性能,导体,允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠,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,绝缘体,一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能产生电流。,半导体,半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄,半导体的能带在外界作用下，价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去,9,第一节 导电性能,空穴导电,本征导电,本征半导体,本征半导体的电子,空穴对是由热激活产生的,杂质对半导体的导电性能影响,本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为,2,无机非金属导电机理,载流子,(1),离子晶体的导电机理,离子晶体中空位的迁移涉及离子运动,10,第一节 导电性能,晶体的离子电导可以分为两类,第一类离子,固有电导或本征电导,热缺陷,第二类杂质,电导,杂质的数量和种类,低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定,存在的多种载流子时，材料的总电导率是各种电导率的总和,11,第一节 导电性能,（,2,）玻璃的导电机理,离子在结构中的可动性所导致,玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大,超导电性,1,超导电性的概念,超导体是等电位的，超导体内没有电场,2,超导体的两个基本特征,一个基本特性是它的完全导电性,永久电流 冻结磁通,另一基本特性是它的完全抗磁性,迈斯纳效应,屏蔽磁场和排除磁通,12,第一节 导电性能,3,超导体的,3,个,重要性能指标,（,1,）,临界转变温度,Tc,正常状态转变为超导状态的温度,临界转变温度越高越好，越有利于应用,（,2,）,临界磁场,Hc,能破坏超导态的最小磁场,Hc,值随温度降低而增加,中间态,第一类超导体，第二类超导体,(3),临界电流密度,Jc,材料保持超导态状态的最大输入电流密度,13,第一节 导电性能,4,超导理论模型,库柏电子对,(BCS),电子,声子相互作用所产生电子对,杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射,在金属和金属间化合物中的超导体的,Tc,不超过,30 K,5,最新超导研究成果,1960,年代研究在氧化物超导体,1986,年，,J,G,Bednore,和,K,A,Muller,发现了,Tc,为,35K,的,Ba,La,Cu,系氧化物超导体，获得诺贝尔奖,1987,年,2,月我国科学家赵忠贤等人得到了,Tc,在液氮以上温度的,Y,Ba,Cu,O,系超导体，即所谓的,123,材料,目前已发现了超导温度达,133K,以上的超导氧化物,2004,年,4,月,9,日在昆明市应用我国自行研制的高温超导电力电缆,35KV/20KA,14,第一节 导电性能,四 影响材料导电性的因素,材料导电机理不同,，影响因素及其影响程度也不相同,1,温度的影响,金属电阻率随温度升高而增大,（,1,）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大,（,2,）在德拜温度以上，电子是完全自由的,完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动,（,3,）,纯金属的电阻率与温度关系,15,第一节 导电性能,（,4,）当温度较低,(,低于,德拜温度,),时,应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用,电阻率与温度的关系,低温时，积分值趋于常数，,电阻率,T,当温度接近于,O K,时,(T,2K,）,，电子的散射主要是电子与电子间的相互作用,残留电阻率,（,5,）大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约,12,倍,原子长程排列被破坏,5,16,2,冷塑性变形和应力的影响,冷塑性变形使金属的电阻率增大,（,1,）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加,（,2,）原子间距改变,（,3,）再结晶退火可使电阻率恢复到冷变形前的水平,（,4,）应力的影响,3,合金化对导电性的影响,（,1,）固溶体导电性,电阻率增高 原因：溶剂点阵的畸变,有效电子数减少,马基申定律,一是溶剂的电阻，二是溶质引起的附加电阻,第一节 导电性能,17,第一节 导电性能,(2),金属化合物的导电性,金属化合物的导电能力都比较差,原因：导电电子数减少,(3),多相合金的电阻率,组成相的导电性及相对量,合金的组织形态,五 导电性的测量及应用,1,电阻测量方法,(1),双电桥法,双电桥法是测量小电阻的常用方法,有较高的精度,18,第一节 导电性能,(2),电位差计法,测量小电阻有很高的精度,(3),安培一伏特计法,毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小,(4),直流四端电极法,中、高电导率的材料,2,电阻分析的应用,测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化,(1),测量固溶体的溶解度曲线,(2),测定形状记忆合金中的相变温度,形状记亿合金是一种新型功能材料,19,第二节 热电性能,一 热电效应,1,帕尔帖效应,接触电势,帕尔帖热与金属的本性和温度有关,焦耳热与电流方向无关,帕尔帖热与电流方向有关,2,汤姆逊效应,汤,姆逊热,20,第二节 热电性能,赛贝克效应,（,1,）接触电势差,电子逸出功不同,电子浓度不同,（,2,）热电势,有效电子密度,两接触端的温差,21,第二节 热电性能,二 影响热电势的因素,1,金属本性的影响,中间金属定律,热电偶,2,温度的影响,与两接点处的温差成正比,热电势,E,与温度经验公式,3,合金化的影响,形成连续固溶体时，热电势与浓度关系呈悬链式变化,4,含碳量对钢热电势的影响,含碳量和其组织状态,22,第三节 半导体导电性的敏感效应,半导体的禁带宽度在,1eV,左右,一热敏效应,电子和空穴导电,B,表示材料的电导活化能,应用,热敏温度计、电路温度补偿器,二 光敏效应,电阻明显下降,光电导,产生光电导的条件,光敏电阻器,23,第三节 半导体导电性的敏感效应,三 压敏效应,1,电压敏感效应,压敏电阻器,压敏电阻器的灵敏性,2,压力敏感效应,电阻率发生改变,压阻效应和应力的关系,四 磁敏效应,1,霍尔效应,2,磁阻效应,24,第四节,介质极化与介电性能,一 极化的基本概念,1,介质极化的基本概念,（,1,）电介质,（,2,）介质极化,2,电介质分类,（,1,）非极性介质,无外电场作用时正负电荷中心重合,电偶极矩,外电场越强，粒子的电偶极矩越大,25,第四节,介质极化与介电性能,（,2,）极性介质,分子存在固有电偶极矩,电偶极矩转向外电场方向,外电场越强，电极化的程度越高,3,极化率,表征材料的极化能力,只与材料的性质有关,4,极化强度,线性极化,表征介质在电场作用下极化程度,26,第四节,介质极化与介电性能,极化的基本形式,位移式极化、松弛极化,1,位移极化,（,1,）电子位移极化,电子云相对于原子核发生位移,电子极化率,依赖于频率、与温度无关,（,2,）离子位移极化,感生的电偶极矩,交变电场作用下离子位移极化率,与离子结构有关、与温度无关,极化建立的时间,27,第四节,介质极化与介电性能,2,松弛极化,与粒子的热运动有关,是不可逆过程,（,1,）电子松弛极化,由弱束缚电子引起的,电子能态发生变化,伴随有能量的损耗,电子松弛极化建立的时间,（,1,）离子松弛极化,弱联系离子产生的,仅作有限距离的迁移,28,第四节,介质极化与介电性能,3,转向极化,主要发生在极性介质中,建立时间较长,比电子极化率高得多,三 介电常数,1,介电常数的概念,2,恒定电场介电常数,（,1,）电位移,方向从自由正电荷指向自由负电荷,29,第四节,介质极化与介电性能,（,2,）介电常数,相对介电常数,极化宏观参数,极化微观参数,30,第四节,介质极化与介电性能,3,交变电场介电常数,矢量,D,和,P,滞后于矢量,E,31,第四节,介质极化与介电性能,影响介电常数的因素,1,极化类型的影响,2,温度的影响,（,1,）介电常数与温度成非线性关系,（,2,）介电常数与温度成线性关系,介电常数很大的材料其,TK,为负值,介电常数较小的材料其,TK,为正值,3,频率的影响,32,第五节 电介质的介质损耗,一,电介质损耗的基本概念,1,介质损耗的基本概念,电介质的作用,介质损耗越小越好,2,漏导损耗,3,极化损耗,介质的损耗形式,1,电导,(,或漏导,),损耗,弱联系带电粒子,(,或空位,),引起,2,极化损耗,松弛极化所造成的介质损耗比较大,造成损耗原因：电,矩滞后于外加电场引起,33,第五节 电介质的介质损耗,（,1,）低频率,不产生极化损耗,（,2,）高频率,产生极化损耗,3,电离损耗,由气体电离所引起,气孔中承受的电场强度比固态绝缘物中所承受平均值要大,应尽量减少介质中的气孔,4,结构损耗,与温度关系不大，随频率升高而增大,5,宏观结构不均匀的介质损耗,工程介质材料大多数是不均匀介质,34,第五节 电介质的介质损耗,三 影响材料介质损耗因素,1,对漏导（电导）损耗的影响,介质损耗,温度的升高，介质的电导率增大,与频率无关,2,对极化损耗的影响,快极化无损耗,缓慢极化产生损耗,（,1,）频率影响,频率很低时介质损耗为零,损耗随着频率的增大而增大,频率很高时仅由起始电导率决定损耗,35,第五节 电介质的介质损耗,（,2,）温度影响,温度对损耗的影响是由温度对,和,g,的影响来决定,温度升高，使松弛极化容易发生,温度很低时，很小损耗,损耗随着温度升高而增大,损耗随温度的升高出现一 极大值,电导损耗往往与松弛极化损耗同时存在,36,第六节 绝缘材料的抗电强度,一 强电场作用下绝缘材料的破坏,1,介电强度,2,固体介质的击穿是不可逆过程,3,气体及液体介质的击穿是可逆过程,4,击穿电压除与材料本身的性质有关外，,还与一系列的外界因素有关,5,电介质的击穿形式,电击穿、热击穿和化学击穿,6,击穿形式取决于试样的缺陷和电场的特性以及器件的工作条件,一个器件的击穿有一种是主要、决定的形式,37,第六节 绝缘材料的抗电强度,二 击穿形式,1,电击穿,电过程,（,1,）,“雪崩”电击穿理论,强电场,自由电子,撞击介质内的离子,新的电子,次级电子,撞击出第三级电子,“电子潮”,电击穿往往是瞬息完成的,（,2,）电击穿的主要特征,击穿场强较高,在一定温度范围内击穿场强变化不大,（,3,）能带理论解释击穿现象,38,第六节 绝缘材料的抗电强度,2,热击穿,（,1,）热击穿的过程,损耗,部分电能转变成热能,热量的不平衡状态,击穿,（,2,）影响热击穿的因素,材料性质,绝缘结构,电压种类,环境温度,39,第六节 绝缘材料的抗电强度,3,化学击穿,高温、潮湿、高电压或腐蚀性气体环境,电解、腐蚀、氧化、还原、气孔中气体电离,（,1,）化学击穿的特点,需要相当长时间,材料老化过程,（,2,）化学击穿机理,在直流和低频交变电压下，离子式电导引起电解,材料中存在封闭气孔,气体的游离放出热量,材料电子式电导大大增加,40,第六节 绝缘材料的抗电强度,三 影响抗电强度的因素,材料的组成与结构,1,温度,的影响,（,1,）对电击穿影响不大,（,2,）对热击穿影响较大,（,3,）对化学击穿加快,2,频率,的影响,频率对热击穿很大,击穿场强与频率的平方根成反比,器件的大小和形状、散热条件都对击 穿有很大的影响,41,第六节 绝缘材料的抗电强度,四 抗电强度的测量与应用,1,国标,GB140894,规定了固体电工材料工频击穿电压、击穿场强和耐电压的实验方法,试样的尺寸,电极形状,加压方式,连续均匀升压法,一分钟逐级升压法,2,对固体介质抗电强度是破坏性实验,3,对产品检验常用耐电压实验,42,