材料物理性能 考试题

材料物理性能试题2014.5.

一、阐述下列概念(每题6分，共30分)

（1）电介质的极化

在外电场作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。

（2）声子

声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon

（3）软磁材料和硬磁材料

硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。

（4）晶体的特征

（1）晶体拥有整齐规则的几何外形，即晶体的自范性。

（2）晶体拥有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。

（3）晶体有各向异性的特点。

（4）晶体可以使X光发生有规律的衍射。

宏观上能否产生X光衍射现象，是实验上判定某物质是不是晶体的主要方法。[1]

（5）晶体相对应的晶面角相等，称为晶面角守恒。[2]

（5）画出体心立方晶体结构，原胞，并写出基矢

体心立方结构（右）

原胞（右）

晶胞基矢, 并且，其惯用原胞基矢由从一顶点指向另外三个体心点的矢量构成，

，其体积为；配位数=8；。

二、解答题(共70分)

1. 影响无机非金属材料（晶体）导热率的因素有哪些？(10分)

①晶体中热量传递速度很迟缓，因为晶格热振动并非线性的，格波间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减小。格波间相互作用愈强，也即声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。因此，声子间碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源。

②晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会引起格波的散射，等效于声子平均自由程的减小，从而降低λ。

③平均自由程还与声子的振动频率ν有关。振动ν不同，波长不同。波长长的格波易绕过缺陷，使自由程加大，散射小，因此热导率λ大。

④平均自由程l还与温度T有关。温度升高，振动能量加大，振动频率ν加快，声子间的碰撞增多，故平均自由l减小。但其减小有一定的限度，在高温下，最小的平均自由程等于几个晶格间距；反之，在低温时，最长的平均自由程长达晶粒的尺度。

2. 简述材料的按照磁性强弱的磁性分类，各有什么特征。(14分)

3. 用能带理论阐述材料导电性能的差别。(12分)

*元素周期表中ⅠA族碱金属Li、Na、K、Rb、Cs，ⅠB族

的cu、Ag、Au，形成晶体时最外层的s电子成为传导电子，

其价带只能填充至半满。因此，它们都是良导体。电阻率只

有l0-6～10-2Ω·cm。

*二价元素，如周期表中ⅡA族碱土族Be、Mg、Ca、Sr、

Ba，ⅡB族为Zn、Cd、Hg，每个原子给出二个价电子，则

得到填满的能带结构，应该是绝缘体。对一维情况确是这

样，但在三维晶体情况下，由于能带之间发生重叠，这样，

在费密能级以上不存在禁带，因此二价元素也是金属，也具

有较好的导电性。

*三价元素A1、Ga、In、Tl每个单胞含有一个原子，每个

原子给出3个价电子，因此，可填满一个带和一个半满的带，

故也是金属。As、Sb、Bi每个原子外围有5个电子，其原胞

具有2个原子，这种晶体结构使5个带填10个电子已几乎全

满，导带中电子突出地少，因此，称为半金属，传导电子浓

度只有1024／m3，比通常金属少4个数量级。

*四价元素具有特殊性。导带是空的，价带完全填满，中

间有能隙Eg，但是能隙Eg较小，Ge和Si分别为0.67 eV和1.14

eV。室温下，价带电子受热激发进入导带，成为传导电子，

且随着温度增加，导电性增加。因此，它们在低温下是绝缘

体，室温下成为半导体。

4. 英国物理学家Paul Dirac早在1931年利用数学公式预言了磁单极粒子的存在。当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在。从而启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极粒子的工作。但近100年来，仍未得到可靠证据证明磁单极子的存在，有人构造磁单极子，如下图所示，即构造一个球壳，由磁块拼成，让磁场都向内或向外，试分析这种构造的可行性，如果可行，是否可看做一个磁单极子，并讨论其特征。(17分)

磁单极子构造及其剖面图

可行。可以，磁单极子的性质由其表面极磁性、磁量和磁偶极成分决定。

*表面极磁性分南极和北极两种类型，我们把表面极磁性显南极的

磁单极子叫南单磁体，天体就是南单磁体，而把表面极磁性显北极的磁

单极子叫北单磁体，各种微观粒子就是北单磁体。

*磁量就是该磁体所含有的磁分子数的磁量总和，它表明磁分子所拥

有的磁分子数量的多少，因而与磁单极子的半径具有确定的比例关系。

*磁单极子的磁偶极成分由其球心和磁心的距离b与其半径r比值决定，其值越大则磁单极子的磁偶极成分就越多，如其比值为1则磁单极

子就变成了纯粹的偶极磁体，其值越小则磁单极子的磁单极成分就越多，如其比值为零，则磁单极子就是一个纯粹的磁单极子。我们把磁单极子

的磁心和球心的连线交磁单极子球面的线段叫磁极，把过球心垂直于磁

极的平面交磁体的圆线叫磁道，磁道分磁体为两个半球，其中磁心所在

的半球为磁弱极半球，另一半球为磁强极半球，此时我们可以把磁单极

子分为两部分：其中以磁心为球心，以b-r为半径的球体为一个纯粹的

磁单极子，这部分磁体为该磁单极子提供单极磁场能量，而除此之外的

另一部分就是为磁单极子提供偶极磁场能量。磁单极子的磁场在其近距

离空间显单极磁场特点，而在除此之外的远距离空间则显偶极磁场特征，磁单极子的b/r值越大，则其磁偶极成分就越多，磁单极子的磁偶极磁

场的能量就越大，该磁体的单极磁场的分布范围就越小。

5.我们日常生活中，电的存储与传输是很方便的，可以输送到很远的地方，有没有一种办法让磁的传输也可方便的实现？并讨论原因。（注意：不准说让磁能转变成电能，传输，再转换成磁能。因为既然用电很方便，我可直