材料物理性能材料的导电性能
材料物理性能学之材料的电性能
材料物理性能学之材料的电性能引言材料的电性能是材料物理性能学的一个重要研究分支，它研究的是材料在电场、电流和电磁波等电学环境下的行为和性能。
材料的电性能对于材料的应用具有关键影响，比方在电子学、能源转换和传感器等领域中起着重要作用。
本文将探讨材料的电性能的根本概念、测试方法和常见的应用。
1. 电导率电导率是材料的一个根本电学性能参数，表示材料导电能力的强弱。
它常用符号σ表示，单位为S/m〔西门子/米〕。
电导率的量值越大，材料越好的导电性能。
电导率可以通过测量材料的电阻率来计算。
2. 电阻率电阻率是材料对电流流动的阻碍能力的度量，常用符号ρ表示，单位为Ω·m。
电阻率和电导率是一对相互关联的物理量，它们之间的关系可以用以下公式表示：ρ = 1/σ。
电阻率可以通过测量材料的电阻来得到。
3. 介电性能除了导电性能，材料还具有介电性能。
介电性能是材料对电场的响应能力的度量。
具有良好介电性能的材料可以阻止电流的流动，并被广泛应用于电容器、绝缘材料和电子设备等领域。
介电性能可以通过测量材料的介电常数来评估。
4. 介电常数介电常数是材料在电场中响应的能力的度量，常用符号ε表示。
介电常数可分为静电介电常数和动态介电常数。
静电介电常数表示在静电场中材料的响应能力，而动态介电常数那么表示在交变电场中材料的响应能力。
介电常数越大，材料对电场的响应能力越强。
5. 半导体材料的特性半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，它具有特殊的电性能。
半导体材料的电导率较低，但随着温度的升高会逐渐增大。
半导体材料的导电性能可以通过添加杂质来调控，从而实现半导体器件的制造。
6. 材料的应用材料的电性能对于众多领域的应用至关重要。
在电子学领域中，导电性能好的材料可以用于制造电路和导线等电子元器件。
在能源转换领域中，材料的电性能对太阳能电池和燃料电池等能源转换器件的效率和稳定性有重要影响。
在传感器领域中，材料的电性能可以用于制造压力传感器、温度传感器和湿度传感器等。
材料导电性能
材料导电性能
材料的导电性能是指材料在外加电场作用下，电子在材料内部的传输能力。
导
电性能是材料的重要物理性能之一，对于材料的应用具有重要的意义。
在现代科技领域中，导电材料被广泛应用于电子器件、光伏材料、电磁屏蔽材料等领域，因此对材料的导电性能进行研究具有重要意义。
材料的导电性能受多种因素的影响，其中包括材料的结构、成分、晶体结构等
因素。
导电材料通常分为金属导体和半导体两大类。
金属导体的导电性能主要取决于其自由电子的浓度和迁移率，而半导体材料的导电性能则受到杂质、缺陷、温度等因素的影响。
材料的导电性能可以通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，通常用σ表示，单位为（Ω·cm）^-1。
电导率越大，表明材料的导电性能越好。
金属材料通常具有较高的电导率，而半导体材料的电导率则介于金属和绝缘体之间。
在实际应用中，我们常常需要根据具体的要求来选择合适的导电材料。
例如，
在电子器件中，我们通常选择电导率较高的金属材料作为导线，以保证电子的顺畅传输；在光伏材料中，我们则需要选择能够有效转化光能的半导体材料。
除了常规的金属和半导体材料，近年来，碳纳米材料也成为了研究的热点之一。
碳纳米材料具有优异的导电性能和热导性能，因此被广泛应用于柔性电子器件、导电涂料、导电纤维等领域。
总的来说，材料的导电性能是材料科学研究中的重要内容之一。
随着科技的不
断发展，对导电材料的需求也在不断增加，因此对导电性能的研究也将会变得更加深入和广泛。
希望通过对导电性能的研究，能够为材料科学的发展和应用提供更多的可能性。
材料导电性质、基本规律与性能影响
§3.1 基本概念及基本规律
一、基本概念
电流：定向移动的电荷 电荷一般由载流子携带
电流强度：单位时间内流过某一截面的电荷量
I
dq dt
eI
电流密度：单位时间内流过材料单位横截面的电量 电阻：物体对电流的阻碍特性
j dI ds
实验上其值由加在材料两端的电压与通过这段材料
电流的比值确定，即 R V
半导体
E(k)
空带 禁带
半导体的能较小 的带隙，当有光照或升高温度时，价带 中的电子将被激发到空带中，使导带底 附近有少量电子，这些电子将参与导电； 同时价带中出现的空穴也将参与导电。
k
h
利用半导体在温度升高、受光 照射等条件下的导电性能大大 增强的特性，可研制出诸如热 敏电阻、光敏电阻等器件。
kFl
利用kF3 3 2n
以及kFl kF a 1
可估计出三维情况 下最小金属电导为
a是一与晶格常数 相近的微观尺度
2 0 0 c m绝 缘 体
2 0 0 cm金 属
3D min
1
32
e2
1
a
利用 以及a
e2 4.1k ~ 0.1nm
max~200cm
大电量阻的 率实大验于数80据-10分0析表c明m时，，对材料的导d电性/质d、T基本规0律和不出性能再的影保经响 持验，判这断和在上量面级根上据是阻相温一系致数的给
离子导电指输运电荷中的载流子是离子 具有离子电导解电质性溶的液固(如态K物C质l溶常液被)的称导为电固就体是电离解子质导电 这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子 提供快速迁移的通道，在某些温度下具有高的电导率(1～ 106西门子/厘米)，故又称为快离子导体。
材料物理性能 电
Fe：6×10－3 Co ：6.6×10－3 Ni ：6.2×10－3
温度的影响 受力情况的影响 冷加工的影响 晶体缺陷的影响 热处理的影响 几何尺寸效应的影响
温度对金属电阻的影响
一般规律 过渡族金属和多晶型转变 铁磁金属的电阻-温度关系的反常
一般规律
1——理想金属晶体 2——含有杂质的金属 3——含有晶体缺陷的金属
T 残
电子-声子散射 电子-电子散射
金属导电理论
经典自由电子论 1900年德鲁特/洛伦兹
1.经典自由电子理论（量子理论发展前）
霍耳效应
当金属导体处于与电流方向相垂直的磁场内时，则 在模跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的 电场，此现象称为霍耳效应。 kc
表征霍耳场的物理参数：霍耳系数
RH
EH J x B0
又因
EH
J x B0 ne
2m*vF
nef e2
与绝对温度成正比； 杂质原子使晶体点阵的周期性破坏，增加散射系数的值；
马基申定则
i T 残
i
杂质和缺陷上的散射
声子散射和电子散射
T 为金属的基本电阻率，与温度有关；
残 为化学缺陷和物理缺陷引起的残余电阻率， 与温度无关。 反映了金属的电学纯度和完整性
材料的电学性能
材料的电学性能
导电性能 电荷长程迁移
介电性能 感应方式
材料的导电性？
微观机理：材料中带有电荷的粒子响应电场作用发生 定向移动的结果。
能够携带电荷的粒子称为载流子 金属、半导体和绝缘体中载流子——电子 离子化合物中的载流子——离子
导电
电阻
电阻率 电导率
J E
欧姆定律
材料物理性能
材料物理性能材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。
它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。
热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。
导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。
热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。
这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。
其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。
光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。
透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。
反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。
折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。
这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。
此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。
电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。
导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。
介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。
电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。
这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。
最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。
磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。
磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。
矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。
这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。
综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。
材料的物理性能
材料的物理性能
所谓材料的物理性能，指的是材料在物理方面表现出来的特性和性质。
物理性能通常包括以下几个方面：
1. 密度：密度是材料单位体积的质量。
不同材料的密度差别很大，如金属的密度通常比非金属高，而气体的密度则通常较低。
2. 弹性：材料的弹性是指在受力时，材料能够恢复到原来形状和尺寸的能力。
弹性可以通过杨氏模量来衡量，不同材料的弹性差异很大。
3. 热膨胀系数：材料在受热时会发生尺寸变化，其中热膨胀系数就是用来描述这种变化的。
不同材料的热膨胀系数差别很大，如金属通常具有较高的热膨胀系数。
4. 导热性：材料的导热性指的是材料对热量的传导能力。
导热性可以通过热传导系数来衡量，不同材料的导热性差异很大。
5. 导电性：导电性指的是材料对电流的导电能力。
导电性可以通过电导率来衡量，不同材料的导电性差别很大，如金属通常具有较好的导电性。
6. 磁性：磁性是指材料对磁场的响应能力。
材料可以分为铁磁性、顺磁性和抗磁性等，不同材料的磁性差异很大。
7. 光学性能：光学性能指的是材料在光的作用下的表现。
光学性能包括透明度、折射率、散射等，不同材料的光学性能差异
较大。
除了上述几个主要的物理性能外，还有一些其他的物理性能也十分重要，如硬度、韧性、断裂韧性、可塑性等。
这些物理性能对于材料的选择、设计和应用都具有重要意义，不同物理性能的组合使得材料在不同领域有着广泛的应用。
因此，研究、了解和掌握材料的物理性能对于材料科学和工程技术具有重要的意义。
材料的导电性能与测试方法
材料的导电性能与测试方法材料的导电性能对于许多领域的应用具有重要意义，从电子学到能源领域都需要高效的导电材料。
本文将探讨材料的导电性能以及一些常用的测试方法。
一、导电性能的影响因素材料的导电性能受到多种因素的影响，以下是其中一些主要因素：1. 材料结构：材料的晶体结构以及晶格缺陷都会影响导电性能。
晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
2. 杂质：杂质可以影响材料的导电性能。
有些杂质可以增加导电性，而另一些杂质可能导致导电性能下降。
3. 温度：温度对于材料的导电性能也有很大的影响。
一般情况下，随着温度的升高，材料的导电性能会增强。
4. 应力：外加应力也可以改变材料的导电性能。
在某些情况下，应力可以使材料的导电性能增加，而在其他情况下则会减弱。
二、导电性能测试方法下面介绍几种常用的材料导电性能测试方法：1. 电阻率测试：电阻率是用来描述材料导电性能的一个重要参数。
可以通过四探针法或者两探针法来测量材料的电阻率。
四探针法可以消除接触电阻的影响，得到更准确的电阻率测试结果。
2. 导电性能测试：导电性能测试通常是通过测量材料的电导率来进行的。
电导率是电阻率的倒数。
可以使用四探针法或者两探针法来进行测量。
3. Hall效应测试：Hall效应测试是一种测量材料导电性能的方法，通过测量材料中的Hall电压和磁场之间的关系来确定电导率、载流子浓度和载流子类型。
4. 微观结构分析：对于复杂的材料，如多组分合金或复合材料，可以通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等技术来分析材料的微观结构和晶体结构，从而进一步理解材料的导电性能。
5. 有限元模拟：有限元模拟是一种通过数值计算方法来模拟材料的导电性能的技术。
通过建立材料的几何模型和物理模型，可以模拟材料在不同条件下的导电性能，为实验提供指导和验证。
总结：本文讨论了材料的导电性能与测试方法。
导电性能的影响因素包括结构、杂质、温度和应力等。
材料力学性能与导电性能的关系研究
材料力学性能与导电性能的关系研究材料科学一直以来都是一门重要的学科领域，其中一个重要的研究方向就是材料力学性能与导电性能的关系。
在材料科学领域中，力学性能是评价材料强度和刚度的重要指标，而导电性能则是评价材料导电特性的重要指标。
这两个指标的研究和相互关系的深入探索对于材料的应用和发展具有重大意义。
材料的力学性能包括强度、韧性、硬度、刚度等指标。
强度是材料抵抗外力破坏的能力，而韧性则是指材料在受力作用下发生变形和破坏的能力。
硬度是材料抗表面压痕能力的指标，刚度则是材料在受力作用下的变形程度。
这些指标直接影响到材料在实际应用中的表现和耐久性。
与此同时，材料的导电性能是指材料对电流的传输能力。
导电性能主要由材料的电导率来衡量，电导率越高，则材料的导电性能越好。
导电材料在电子和电气工程领域有广泛应用，例如电器设备、电子元件、通讯设备等。
在研究材料力学性能与导电性能的关系时，我们需要考虑材料的微观结构和材料内部的能级结构。
材料的微观结构决定了材料的力学性能和导电性能。
例如，晶体结构的不均匀性和缺陷会对材料的强度和导电性能产生重要影响。
此外，学者们还发现，材料中的晶界和晶格中的杂质都会对材料的力学性能和导电性能产生影响。
研究表明，诸如金属、合金和导电高分子材料等导电材料通常具有较高的力学性能。
这是因为导电材料的结构比较致密，内部的晶界和晶格缺陷较少，从而提高了材料的强度和刚度。
另外，导电材料的导电路径一般比较连续，电子在材料中的传输更加顺畅，因此导电性能较好。
然而，并非所有材料的力学性能和导电性能之间呈现正相关关系。
有些材料具有较高的导电性能，但其力学性能却较差，如柔性导电材料。
这是因为柔性导电材料通常由有机物质组成，柔性结构使其在力学上较为脆弱。
这种情况下，研究人员需要根据具体应用需求来寻找材料的平衡点，同时权衡材料的力学性能和导电性能。
除了以上提到的因素，温度和湿度等外界环境条件也会对材料的力学性能和导电性能产生一定的影响。
材料物理性能
材料物理性能1. 引言材料物理性能是指材料在物理方面的性能特征与表现，包括其力学性能、热学性能、电学性能等。
了解材料的物理性能能够帮助我们选择合适的材料，预测材料的行为以及进行工程设计和优化。
2. 力学性能2.1 弹性模量弹性模量是材料在受力作用下产生弹性变形的能力，一般表示为杨氏模量（Young’s modulus）、剪切模量（Shear modulus）和泊松比（Poisson ratio）。
- 杨氏模量描述了材料在受拉或受压时的弹性性能，可以算作是应力与应变之间的比例系数。
- 剪切模量衡量了材料在受剪切力作用下的变形能力。
- 泊松比描述了材料在受力作用下，在两个垂直于受力方向的平面上的变形比例。
2.2 强度强度是指材料在承受外力作用下能够抵抗变形和破坏的能力。
强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
不同类型的力学性能指标适用于不同的应用场景。
2.3 脆性和韧性脆性是指材料在受力作用下容易发生断裂的性质，表现为材料的断裂韧度较低；韧性是指材料在受力作用下能够发生塑性变形而不断裂的性质，表现为材料的断裂韧度较高。
脆性和韧性是相对的，不同材料的脆性和韧性特点不同。
3. 热学性能3.1 热膨胀系数热膨胀系数描述了材料在温度变化下的对长度、体积或密度的变化率。
材料的热膨胀系数可以影响它在温度变化下的热膨胀或收缩行为。
3.2 热导率热导率是指材料传导热量的能力，表示的是单位时间内单位温度差下，通过单位横截面积所传导的热量。
热导率可以用于描述材料的导热性能。
3.3 热容量热容量是指材料在受热时吸收热量的能力，以及在冷却时释放热量的能力。
热容量可以用于描述材料在温度变化下的热稳定性和热响应行为。
4. 电学性能4.1 电导率电导率是指材料导电的能力，表示单位长度内单位面积上的电流。
电导率可以用于描述材料的导电性能。
4.2 介电常数介电常数是指材料对电场的响应能力，表示单位电场下单位体积内储存能量的能力。
材料物理性能
2.本征半导体的迁移和电阻率
自由电子和空穴热运动，在外电场的作用下做定 向漂移运动，形成电流。漂移过程中不断碰撞，有一 定的漂移速度。 迁移率：单位场强下，载流子的平均漂移速度。
分别用μn和μP分别表示自由电子和空穴的迁移率。
（1）迁移率与外电场强成正比。 （2）自由电子的迁移率较空穴高。 （3）能带宽度大的迁移率低。 本征半导体电阻率：
金属导体的能带分布特点:无禁带 导带 价带 价 带 （ 导 带 ）
第一种：价带和导带重叠。 第二种：价带未被价电子填满，价带本身就是导带。
这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属 即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有 很强的导电能力。
非导体的能带分布特点:有禁带
在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁 到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体 几乎没有导电能力。
2.4 金属的导电性
2.4.1 金属导电的机制与马基申定律
金属导电的机制： 经典理论 在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。 量子理论
在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶 体点阵中定向传播。
2.8.2 半导体中的能量状态—能带
原子结合状态：价电子共有的共价键。 以Si为例：
单原子能级：3s2 3p2 ,3p 中有4个电子空位。
若有 N 个原子的无缺陷硅单晶：
能带：共价键结合后，能级分裂成满带和空带
满带： 4N 个价电子全部占满，能量 EV 。 空带：有 4N 个空位，没有电子，能量 EC 。 禁带：
2.5.2 金属化合物的导电性
两种金属的原子形成化合物 时，由于原子键合的方式发生本 质变化，使得化合物的电阻较固 溶体大大增大，接近于半导体的 导电性。 原因 部分结合方式由金属键变为 共价键或离子键。
自编教材第四章_材料的导电性能
第四章 材料的导电性能材料的导电性能是材料物理性能的重要组成部分，导体材料在电子及电力工业中得到广泛的应用，同时，表征材料导电性的电阻率是一种对组织结构敏感的参量，所以，可通过电阻分析来研究材料的相变。
本章主要讨论材料的导电机理，影响材料导电因素以及导电性能参数的测量和应用。
还对材料的超导电性能、热电性能以及半导体性能等作简要介绍。
第一节 材料的导电性一、 电阻与导电的基本概念当在材料的两端施加电压V 时，材料中有电流I 流过，这种现象称为导电，电流I 值可用欧姆定律表示，即I = RV (4-1) 式中：R 为材料电阻，其值不仅与材料的性质有关，而且还与其长度L 及截面积S 有关，因此R = ρSL (4-2) 式中：ρ称为电阻率，它在数值上等于单位长度和单位面积上导电体的电阻值，可写为 ρ = R L S(4-3)由于电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是ρ而不是R 。
电阻率的单位为Ω· m (欧·米)。
在研究材料的导电性能时，还常用电导率σ，电导率σ为电阻率的倒数，即σ =1 (4-4) 电导率的单位为Ω-1· m -1。
式（4-3）和式（4-4）表明，ρ 愈小，σ 愈大，材料导电性能就越好。
根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、半导体和绝缘体。
导体的ρ 值小于10-2 Ω· m ；绝缘体的ρ值大于1010Ω· m ；半导体的ρ值介于10-2 ~ 1010Ω· m 之间。
虽然物质都是由原子所构成的，但其导电能力相差很大，这种现象与是物质的结构与导电本质有关。
二、导电的物理特性1、载流子电流是电荷在空间的定向运动。
任何一种物质，只要有电流就意味着有带电粒子的定向运动，这些带电粒子称为载流子。
金属导体中的载流子是自由电子，无机材料中的载流子可以是电子（负电子、空穴）、离子（正、负离子，空位）。
载流子为离子或离子空穴的电导称为离子式电导，载流子为电子或电子空穴的电导称为电子式电导。
材料性能分类
材料性能分类材料性能是指材料所具有的各种物理、化学、力学等特性和性能指标。
根据材料的性能特点，可以将材料性能分为多个不同的分类。
在工程领域中，对材料性能的分类有助于工程师们更好地选择和应用材料，从而提高产品的质量和性能。
下面将对材料性能的分类进行介绍。
首先，根据材料的物理性能可以将材料分为导电性能、热传导性能、磁性能等不同的分类。
导电性能是指材料导电的能力，通常用电阻率来表示。
金属材料具有良好的导电性能，而绝缘材料则具有较差的导电性能。
热传导性能是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
金属材料和陶瓷材料通常具有较好的热传导性能。
磁性能是指材料在外磁场作用下的磁化特性，通常用磁导率来表示。
铁、镍等金属材料具有较好的磁性能。
其次，根据材料的力学性能可以将材料分为强度、韧性、硬度等不同的分类。
强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力，通常用抗拉强度、抗压强度等来表示。
韧性是指材料抵抗断裂的能力，通常用断裂韧性来表示。
硬度是指材料抵抗划痕的能力，通常用洛氏硬度、巴氏硬度等来表示。
不同材料的力学性能对于工程应用有着重要的影响，工程师们需要根据具体的使用要求来选择合适的材料。
另外，根据材料的化学性能可以将材料分为耐腐蚀性能、耐磨性能、耐高温性能等不同的分类。
耐腐蚀性能是指材料在特定介质中不受腐蚀的能力，通常用腐蚀速率来表示。
耐磨性能是指材料在摩擦磨损条件下的抗磨损能力，通常用摩擦系数、磨损量等来表示。
耐高温性能是指材料在高温条件下的稳定性能，通常用热稳定性、热膨胀系数等来表示。
化学性能对于材料在特定环境下的应用具有重要的影响，工程师们需要根据具体的使用环境来选择合适的材料。
综上所述，材料性能的分类对于工程应用具有重要的意义。
工程师们需要充分了解材料的性能特点，根据具体的使用要求来选择合适的材料。
只有在实际工程应用中充分发挥材料的性能优势，才能更好地满足产品的设计要求，提高产品的质量和性能。
因此，对于材料性能的分类有着重要的理论和实际意义。
第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT
v eEl / vme
j nev ne(eEl / vme ) (ne2l / vme )E
E
其中，电导率为： ne2l / vme = ne2t me
从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形 式，而且得到了电导率的表达式。
从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成 正比，与电子的平均自由程成正比。
22
❖ 容易想象温度越高，x2越大振幅愈大，振动愈激烈，因而对 周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与x2 成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即电阻R与绝对温度T 成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的 困难。
一、电阻和导电的基本概念 ❖ 电阻率
❖ 电导率
电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它 们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征 材料导电性的尺度。
根据材料导电性能好坏，可把材料分为：
❖ 导体 : ρ＜10-5Ω•m
❖ 半导体 : 10-3Ω•m ＜ ρ＜ 109Ω•m
❖ 绝缘体 : ρ＞ 109Ω•m ❖ 不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求 尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括：导电性能、超导电性、介电性、铁 电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料 电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法 以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
第三章 材料的电学性能
在许多情况下，材料的导电性能比材料的力学性能还要重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和 绝缘材料都是以材料的导电性能为基础。
材料物理性能课件-2.1_导电性概述
Z
E
二维
常数，ZE一维
E
1 2
2D
3D
1D
Z( E) Z(E)
Z(E)
Ef
Ef
Ef
( a)
(b)
(b)
总的电子数:
0
f E Z E dE
0
1
CE 2 e E E f kT
dE 1
N
continue
自由电子在能级分布随温度变化
具有能量E状态被电 子占据几率为:
f (E)
1 e E E f / kT
continue
电流密度
若载流子体积密度为n+,n-,各自电荷量为 q+e,q-e电场作用下载流子获得定向漂移速 度为＋、-, 则电流密度：
j n qe n v qe 迁移率
引入带正、负电荷载流子的迁移率，定义 为单位强度的电场ξ作用下的定向移动速 度，即：
v v
continue
电子的波函数
电子的能量 E
k k
(r )
2
k2
Aeikr
V
2
2m
2m
k
2 x
k
2 y
k
2 z
V
continue
一维下自由电子的能级 （1）势阱的模型
设电子在长度为L的金属丝中的运动 , 电子与离
子无相互作用，势能是常数，可以取：
U
U(x) 0
电子不能逸出金属外，有：
U (0) U (L)
电流密度： j N v Fx e N ( E F )e 2v F2 / 3
电导率：
N
(
E
F
)e
2v
2 F
材料性能学第十章 材料的导电性能
材料性能第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
和禁带。
材料性能第十章材料的导电性能。
当外电场ε加上之后，各电第十章材料的导电性能
材料性能第十章材料的导电性能
1
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增长。
材料性能第十章材料的导电性能
Cu
3Au合金
l一无序(淬火态)；2一有序(退火态)
第十章材料的导电性能
(a)连续固溶体；(b)多相合金；(c)正常价化合物；(d)间隙相
电阻率与状态图关系示意图
材料性能第十章材料的导电性能
4
2213
211R I R I R I R I R R N X －－=分别为标准电阻与待
，
测量原理如图所示。
各样品内侧两电极间的电压为，电极间距离为l，样品截面为Ｓ
过的电流为Ｉ。
则其电导率为
σ=
在室温下测量电导率通常采用简单的四探针法
线排列，并以一定的载荷压附于样品表面。
若流经１，４探针间的电流为
电阻法测定Mg—Mn合金的溶解极限
材料性能第十章材料的导电性能
第十章
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能。
材料物理化学教案中的材料的电导率与导电性质
材料物理化学教案中的材料的电导率与导电性质材料的电导率与导电性质材料的电导率与导电性质是材料科学与物理化学领域的重要研究内容。
电导率是指材料在电场作用下传导电流的能力，导电性质则是指材料本身的导电特性。
在材料的研究与应用中，了解和掌握材料的电导率与导电性质对于设计、制备和优化材料具有重要意义。
一、导电性质的定义和分类导电性质是指材料本身具有传导电流的特性。
根据材料导电机制的不同，一般可将导电性质分为两类：金属导体和非金属导体。
1. 金属导体：金属导体是指能够自由传导电子的材料。
由于金属内部存在大量自由电子，电子在金属中自由移动，从而导致金属具有很高的电导率。
常见的金属导体有铜、银、铝等金属材料。
2. 非金属导体：非金属导体则是指材料中电子传导主要依赖于离子或分子的移动。
非金属导体的导电机制主要包括离子导体、空穴导体和杂质导电等。
离子导体中，正负离子在外电场作用下向相反方向移动从而形成电流；空穴导体则是指材料中电子占据的轨道发生改变后，原本被电子占据的轨道移动形成空穴，空穴在外电场中移动引起电导；杂质导电则是指材料中添加了杂质后，杂质原子或离子的电子能级与宿主材料原子或离子的能级形成共价键或氢键，从而导致电子在外电场作用下传导。
二、电导率的定义和影响因素电导率是材料导电性能的指标，用来描述材料导电能力的大小。
常用的电导率单位是西门子每米（S/m）。
电导率的大小受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 自由电子浓度：金属导体的电导率主要取决于金属中自由电子的浓度。
自由电子浓度越高，电子在金属中传导的能力越强，从而使金属导体具有更高的电导率。
通过控制金属中的杂质含量和晶粒大小等参数，可以调控金属的电导率。
2. 电子迁移率：电子迁移率是指电子在外电场作用下的运动能力。
电子迁移率越大，电子在材料中的传导速度越快，从而导致材料具有更高的电导率。
材料的晶格结构、晶界和杂质的存在都会对电子迁移率产生影响。
材料物理：第二章 材料的导电性
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
硅
铝 用能带结构来理解材料的塑性变形能力
材料的所有性能（力学、电学、光学…） 都取决于原子和电子的空间排布：
•如果外界条件打破了原子排列的平衡状态，就会有位错， 晶界，裂纹
•如果外界条件打破了电子排列的平衡状态，就会导电、 发光、化学键断裂等现象。
1、材料的能带结构
固体电解质中的离子电导 离子扩散机制
1、材料的能带结构
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
1、材料的能带结构
－3π/a －2π/a －π/a
0 π/a
2π/a 3π/a
1、材料的能带结构
3s 2p 2s
1sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
金属Na的能带结构
当外电场ε加上之后，由于 K和－K态电子具有大小相 同但方向相反的速度，彼此 完全抵消。即满带中的电子 对导电没有贡献。
3、影响导电性的因素
• 温度的影响 • 受力情况的影响 • 冷加工的影响（晶体缺陷的影响） • 热处理的影响（晶体缺陷的影响） • 合金元素 • 晶粒尺寸
1）温度的影响
一般规律
1——理想金属晶体 2——含有杂质的金属 3——含有晶体缺陷的金属
T 残
温度越高，晶格振动越剧烈，对电子的散射加强。
Cu-Au合金的电阻
5）合金元素
利用合金元素与导电性的关系可以测定相图
5）合金元素
电线电缆主要特性
1、电性能 导电性能：大多数产品要求有良好的导电性能，个别产 品要求有一定的电阻范围。 2、力学性能
指抗拉强度、伸长率、弯曲性、弹性、柔软性、耐 振动性、耐磨性以及耐冲击性等。例如：露天矿开采设 备用移动橡套软电缆具有优良的抗拉强度、伸长率、抗 撕强度和耐磨性能等。
2.1 材料的电导(材料物理性能)
6）欧姆定律的微分形式：
J E
电流密度J：安培/厘米2(A/cm2)； 电场强度E：伏特/厘米(V/cm)； 电导率σ：欧姆-1 〃厘米-1 (Ω-1 〃cm -1).
适用于非均匀导体。说明导体中某点的电流密度正比于 该点的电场。 比例系数为电导率σ，常用单位有：Ω-1〃cm-1 ，Ω-1〃m-1 ， S〃m-1 1S（西门子）=1Ω-1
纯离子电导不呈现霍尔效应
霍尔器件对材料的要求
要得到大的霍尔电压关键 是选择霍尔系数大（即迁移 率高、电阻率低）。 半导体迁移率高电阻率适 中是制造霍尔元件较理想的 材料。 由于电子迁移率比空穴迁 移率大，所以霍尔元件多采 用N型材料。 其次，霍尔电压大小与材 料的厚度成反比，因此，薄 型的霍尔器件输出电压较片 状要高得的多。
发生分裂，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的
准连续能带。若晶体由N个原子（或原胞）组成，则每个能 带包括N个能级，其中每个能级可被两个自旋相反的电子所 占有，故每个能带最多可容纳 2N 个电子（见泡利不相容原 理）。
把电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。能
带与能带间的不连续区域称为禁带，禁带与允带相互交替。
8
9）电导率的测量
内侧两电极间电压为V 适用于高导电率材料 电极间距离为l 试样截面积为S
l I S V
四端电极法
9
二、电导的物理特性
电流是电荷在空间的定向运动。
1．载流子：带电荷的自由粒子
金属导体 中的载流子：自由电子 电子(负电子，空穴) 无机材料 中的载流子 离子(正、负离子，空位)。
霍尔效应若在x方向通以电流在z方向上加以磁场则在y方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场称霍尔效应反映霍尔效应强弱的重要参数判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向若测得的值是正值样品属n型否则为p型
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Rx
RN
Vx VN
电位差计法优点：导线（引线）电阻不影响电位差计的电势 Vx、VN，的测量，而双电桥法由于引线较长和接触电阻很 难消除，所以在测金属电阻随温度变化，不够精确。
4． 直流四探针法
直流四探针法主要用于半导体材料或超导体等的低电阻
率的测量。常用于半导体单晶硅掺杂的电阻率测量。
四根金属探针彼此相距1mm排在一
(3)对实验中出现的一些问题进行讨论。
测试电路原理
被测试样与高阻抗直流放大器的输入电阻 串联并跨接于直流高压测试电源上；高阻抗 直流放大器将其输入电阻上的分压讯号经放 大输出至指示仪表，由指示仪表直接读出被 测绝缘电阻值。
1）测量体积电阻值Rv （1）将Rv、Rs转换开关旋至Rv处。
(2)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将“倍 率选择”旋钮选 至所需的位置。
实验一 材料导电性能的测量
天津大学材料学院
材料电阻的测量方法
测量材料电阻的方法，根据材料的电阻大小不同，采 用的测量方法各异。 主要的测量方法：
惠斯顿单电桥法 双电桥测量法 电位差计测量 直流四探针法
1、惠斯顿（Huiston）单电桥法
通过检流计G的电流为零.
RN、R1 、R2 的电阻均已知，
被测电阻Rx的计算：Rx
(3)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查应选 择的位置，打开输
入短路开关(即按钮抬起来)，读取加上测试电压1分钟时， 指示电表显示的电阻值。读数完毕，将“倍率”打回 “10-1”档。
(4)接入短路开关，将“放电、测试”开关打回到“放电” 位置。更换试样，重复以上操作，待全部试样测量完毕后， 切除电源，除去各种连接线，按要求整理、放置好仪器。
R1 R2
RN
测量中Rx被测电阻，测出的电阻
包括A 、B两点的导线电阻和接触电阻。 惠斯顿单电桥测量原理图 当测量低电阻时，由于结构和接触电阻无法消除，灵敏度不
高、测量数值偏差较大，只有当被测电阻相对于导线电阻 和接触电阻相当大时，Rx才接近于 。
惠斯顿单电桥的测量很少用于测量金属电阻，其测量电阻范 围通常在在10106。
VD=VB
Rx
R1 R2
RN
R4r R3 R4 r
( R1 R2
R3 ) R4
为了使上式简化，在设计电桥时，使R1 =R3，R2=R4， 并将它们的阻值设计的比较大，而导线的电阻足够小（选
用短粗的导线），这样使 R1 R3 趋向于零， 则附加项趋 近于零，上式近似为： R2 R4
Rx
R1 R2
(3)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查电压应 选择的位置，打开输入短路开关(即按钮抬起来)，读取加 上测试电压1分钟，指示电表显示的电阻值。读数完毕， 将“倍率”打回“10-1”档。
2）测量表面电阻值Rs
(1)将Rv、Rs转换开关旋至Rs处。
(2)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将 “倍率选择”旋至所 需要的位置。 (在不了解测试值的数 量级时，倍率应从低次方开始选择。)
RN
=
R3 R4
RN
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当检流计为零时，从电桥上读出R1 、R2而RN 为已知的 标准电阻，用上式可求出Rx值。
用双电桥测量电阻可测量10010-6的电阻，测量精度为 0.2%。
在测量中应注意：连接Rx、RN的铜导线尽量粗而短，测量 尽可能快。
3．电位差计法
电位差计法广泛应用于金属合金的电阻测量，可测量试 样的高温和低温电阻，还可以测试电位差、电流和电阻， 它的精度比双电桥法精度高。可以测量10-7的微小电势。 当一恒定电流通过试样和标准电阻时，测定试样和标准电 阻两端的电压降Vx和VN，RN已知，通过下式计算出Rx
一、目的要求
1、掌握材料导电性能（电阻率、电导率）的 测量方法；
2、了解电阻率和电导率的相互关系； 3、了解高分子、陶瓷材料的体电阻、表面电
阻；
4、理解成分对金属材料导电性能影响。
欧姆定律
二、基本原理
RL S
电阻率与材料本质有关
电阻率的单位：m ， cm ， cm，
工程技术上常用mm2/m。它们之间的换算关系为
1 cm = 10-8 m = 10-6 cm = 10-2 mm2/m
电阻率与电导率关系
1
的单位为西门子每米（S/m）。
工程中也常用相对电导率（IACS%），它表示导体材料的导电性 能。国际上把标准软铜在室温20。C下的电阻率 = 0.01724 mm2/m 的电阻率作为100%，其他材料的电导率与之相比的百分数为该材料
计算公式：
R r2
V
Vh
(1) 式中：π—3.1416； r一测量电极的半径 (cm)； h一陶瓷试样的厚度 (cm)。
R 2
s
s
ln
D2 D1
(2)
式中π—3.1416； D2一保护电极的内径 (cm)；D1一测量电极的直径 (cm)；1n一自然对数。
数据及处理
(1)用所得的测试数据分别计算各试样的体积电阻率ρV， 及表面电阻率ρS，将计算结果填入下表的相应格内． (2)根据所做实验试分析产生误差的原因，及采取哪些缩小 误差的措施。
2 .双电桥法
双电桥法是目前测量金属室温电阻应用最广的方法，用于 测量低电阻（10210-6）。
双电桥法测量时，待测电阻
Rx和标准电阻RN 相互串连 后，串入一有恒电流的回路
中。将可调电阻R1R2R3R4组
成电桥四臂，并与Rx、RN并
连；在其间B、D点连接检流计G，那么测量电阻Rx归结为调
节R1R2R3R4电阻使电桥达到平衡，则检流计为零G=0
条直线上，要求四根探针与样品表
面接触良好。由1、4探针通入小电
流，当电流通过时，样品各点将有
电位差，同时用高阻静电计、电子
毫伏计测出2、3探针间的电位差V23，四探针法的测量线路原理图
计算出样品的电阻率
C V23
I
C是与被测样品的几何尺寸及探针间距有关的测量的系数，称为探针系
数。单位：（cm）；I是探针通入的电流。
的相对电导率。
片状样品
管（环）状样品
三、电阻率的测量
1、高电阻率测量
测定陶瓷材料和高分子材料的体积电阻、表面电阻
实验仪器
ZC36型高阻计是一种直流式的超高电阻计和微电流两 用仪器。仪器的最高量限电阻值1017Ω，微电流10-14A微 电流。
•
适用对绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝
缘电阻测量和高阻兆欧电阻的测量，也可用于微电流测量。