材料的电学性能的重要知识点
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。
第十章 材料的电学性能
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
第一节
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
导电性能
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
第十章 材料的电学性能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 导电性能 热电性能 半导体导电性的敏感效应 介质极化与介电性能 电介质的介质损耗 绝缘材料的抗电强度
第一节
一
导电性能
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 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
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
材料学中的电学性质分析
材料学中的电学性质分析材料学是一门研究材料的结构、性能和制备的学科，电学性质是材料学中一个重要的性质之一。
电学性质是指材料在电场中表现出来的特性，包括导电性、介电性、电磁特性等。
电学性质的研究对于材料的开发和应用具有重要的意义。
导电性是材料的电学性质之一，指材料能否导电。
导电性的大小取决于材料中自由电子的数量和流动性。
导电性越强，材料就越能够导电。
金属是以电子为主要载流子的导体，其导电性非常强；而半导体的导电性则不如金属强。
介电性是指材料对电场的响应特性。
不同材料的介电性能力不同，介电常数越大，材料的储电能力就越强。
材料的介电性能在电子设备方面应用广泛。
例如储存介质、集成电路和传感器等电子产品。
电磁特性也是材料的电学性质之一，主要表现在对电磁场的响应和产生。
铁磁材料是一种应用广泛的电磁材料，具有良好的磁导率和高饱和磁密度，可以用来制作电动机和变压器等电机设备。
材料的电学性质是与材料的结构和组成有关的，因此分析材料的电学性质需要从材料的本质出发，探究材料内部电子的结构和行为。
材料的晶体结构、化学成分和缺陷结构等都会影响材料的电学性质。
材料的导电性分析与控制是材料学中的一项重要研究内容。
导电性材料的应用非常广泛，如电线、电缆、电子器件等。
因此，研究导电性材料的方法和机制也是很重要的。
在材料科学中，最常用的方法是通过改变材料中的掺杂原子来控制导电性。
掺杂可以形成导电和非导电区域，提高材料的导电性。
介电性材料在制造电子器件和电路方面也有着广泛的应用。
通过调节材料的介电常数，可以改变电子器件的性能特点，例如调制电容器、谐振器、滤波器等。
此外，介电材料还可以制作储电器件等。
电磁材料也在电子制造领域中扮演着重要角色。
铁磁材料的应用让电机和变压器等电器设备的性能得到了提高。
而对于磁介质材料，其在科研领域也有着极其重要的应用。
例如磁记录材料、磁性存储介质等。
总之，材料的电学性质是材料学中一个非常重要的研究方向。
研究材料的电学性质有助于开发新型材料并优化现有材料的性能，从而满足不同领域的应用需求。
材料性能学第十章--材料的电学性能
+4
+4
+4
+4
电子和空穴在外电场的作用下都将作 定向运动，这种作定向运动电子和空 穴（载流子）参与导电，形成本征半 导体中的电流。
当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果：在上面的导带 中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴 起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和 来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以 电导率随温度而迅速增加。
第一节 导电性能
量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0 K时，电子波 的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。
二、导电机理
1、金属及半导体的导电机理
第一节 导电性能
实际金属内部存在着缺陷和杂质。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，这是金属 产生电阻的原因。由此导出的电导率为：
合金为：
10-7－
-5 10 Ω.m
半导体材料：ρ=10-2-109Ω.m
绝缘体材料：ρ＞1010Ω.m
各种材料在室温的电导率
金属和合金
-1 -1 (Ω .m )
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍铬合金 (80%Ni-20%Cr）
第一节 导电性能
一、电阻与导电的基本概念
欧姆定律：当在材料的两端施加电压时，材料 中有电流流过
电阻与材料的性质有关，还与材料的长度 及截面积有关
电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何 尺寸是无关，作为评定导电性的基本参数
材料电化学性能的研究与分析
材料电化学性能的研究与分析电化学技术在当今社会得到广泛的应用，从储能设备到化学传感器，电化学性能的研究对于材料的发展和应用具有重要的意义。
在这篇文章中，我们将探讨材料电化学性能的研究与分析方法，同时介绍一些相关的应用案例。
一、电化学性能的定义和研究意义材料的电化学性能是指材料在电化学反应中的行为表现，包括电导率、电荷传递速率、电极界面反应等。
这些性能直接影响材料在电化学设备中的工作效率和稳定性，因此对于材料的研究和应用具有重要的意义。
二、电化学性能的研究方法1. 电导率测试：电导率是衡量材料导电性能的重要指标。
可以通过四探针法、阻抗谱法等一系列实验手段测定材料的电导率。
通过对电导率的研究，可以了解材料导电机制，进而优化材料的电导性能。
2. 循环伏安法：循环伏安法是一种常用的电化学测试方法，通过在电极上施加一系列电位来研究材料的电化学行为。
通过循环伏安曲线的分析，可以得到材料的电化学反应动力学参数，包括电荷转移电阻、氧化还原峰电位等。
3. 电化学阻抗谱：电化学阻抗谱是一种用于研究材料界面电荷传递行为的方法。
通过测量不同频率下的交流电阻，可以获得材料的电化学阻抗谱。
通过对阻抗谱的分析，可以了解材料界面反应速率、电化学界面的双电层结构等信息。
三、应用案例1. 锂离子电池材料的研究与优化：锂离子电池是目前最常用的储能设备，材料的电化学性能直接影响电池的容量、循环寿命等。
通过研究材料的电导率、电化学反应动力学参数，可以优化锂离子电池的性能，提高其储能效率和循环寿命。
2. 催化剂的研究与开发：催化剂在化学反应中起到重要的促进作用，其电化学性能直接影响反应速率和选择性。
通过研究材料的电化学反应动力学参数，可以优化催化剂的结构和组成，提高其催化效果。
3. 化学传感器的开发：化学传感器是一种基于电化学原理的快速检测设备，对于环境监测和医疗诊断等领域具有重要的应用价值。
通过研究材料的电化学性能，可以提高传感器的灵敏度和选择性，实现对目标物质的快速检测。
培训_第三章材料的电学性能
离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格
点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格 实散际射金。属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态
点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子
波造成散射而形成电阻。 而对于一个纯的理想的完整晶体，0K时，电子波
的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导
致所谓的超导现象。
为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使 半导体具有一些导电能力。
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。
三、影响金属导电性的因素
晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因，而电阻来
源于晶体对自由运动电子的散射，因此电阻具有 组织结构敏感性，温度、形变（应力）、合金
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同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子 是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它 认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的， 而是呈周期性变化的，能带理论就是研究金属 中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题
的电。子在周期势场中运动，随着位置的变化， 它的能量也呈周期变化，即接近正离子时势能 降低，离开时势能增高。这样价电子在金属中 的运动就不能看成是完全自由的。
原因：由于高压作用，导致原子间距发生变化（变小），使
金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化，从而影 响导电性。
能带结构和导电机理：由于周期场的影响，使得价电子在
金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，
有些能态是电子不能取值的。 由右图可以看到：
禁带宽窄取决于周期 势场的变化幅度，变 化越大，则禁带越宽。
当 线规-K律1<连K 续<K变1时化，；曲线按抛物 当增K=K1时，只要波数稍微
第6章-材料的电学性能
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫中 时的 间、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
6.1.2 能带理论下的导电性 (Electrical conductivities in
6. 离子晶体一般是绝缘体:一般有与四价元素相 似的能带结构，而Eg很大，有效电子数是0。
例:NaCl晶体，Na+离子的3s电子移到Cl-离子的3p 轨道，使3s成为空带，3p成为满带，其间是10eV 的禁带，热激发不能使之进入导带。
6.1.3 导电性与温度的关系 (Relationship between electrical conductivity and temperature)
m
电流密度 Jneve2nEE
m
所以电导率 e2n e2nl
m mv
其中l=v为电子的平均自由程。
成功地推导出了导体的电导率，电子导电为主时， 还可推出导体电导率与热导率的关系。
考虑量子效应，在自由电子近似下，仅费米面附 近的电子运动未被抵消，对导电性有贡献。按照 量子自由电子理论可以推知电导率
子，这些元素似乎应为绝缘体。但在三维晶体
中，由于原子之间的相互作用，能带交叠—— 费米能级以上无禁带——导体。
3. IIIA族元素Al、Ga、In、Tl:最外层的电子排布 是ns2np3——s电子是充满的，但p电子是半充满的 可成为传导电子——导体。 4. 四价元素:最外层电子排布ns2np4，有未填满的p 轨道，但形成固体时，通过原子间的电子共用使 其价带满填。在价带之上是空带，其间有能隙Eg
材料的电学性能.PPT
② 临界磁场Hc ：T＜ Tc时，将超导体放入磁 场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超 导体被破坏而成为正常态。 Hc是破坏超导态 的最小磁场。
.
15
超导电性的三个重要性能指标：
③ 临界电流密度Jc ：如果输入电流所产生 的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超 导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。 H增加， Jc 必须相应地减小，以使磁场总 和不超过Hc 而保持超导态。 Jc 是材料保持 超导态的最大输入电流密度。
禁带：能隙的存在意味着禁止电 子具有A和B与C和D之间的能量， 能隙所对应的能带。
允带：电子可以具有的能级所组 成的能带。
允带与禁带相互交替，形成了材 料的能带结构。
.
8
(3)能带理论 空能级指允带中未被电子填满的能级。
导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在 外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。
.
16
超导电性的三个重要性能指标：
①临界转变温度Tc ② 临界磁场Hc ③ 临界电流密度Jc
.
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上节回顾
1、掌握铁磁性的本质，铁磁体的两大特征， 磁畴结构的大小，磁化曲线和磁滞回线， 铁磁材料的性能指标。
2、利用能带结构分析材料的导电性差异。
3、熟悉超导体的概念，掌握超导体的两个 特征和三个性能指标。
不同材料的导电能力相差很大，这决定于结构 与导电本质。
.
4
二、导电机理
(1)经典电子理论
金属晶体中，自由电子定向运动时，要不断与正 离子发生碰撞，使电子受阻，这是产生电阻的原因。
(2)量子自由电子理论 金属中每个原子的内层电子保持着单个原子时
的能量状态，而所有价电子按量子化规律具有不同 的能量状态，即具有不同的能级。
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（7）电阻温度系数的意义?
T 0 电阻温度系数： 0 (T T0 )
(1) 表征电阻率随温度的变化速率； (2)α>0: 电阻随温度的增加而增加； α<0: 电阻随温度的增加而降 低； (3) α是T-T0之间的平均值。
（8）影响金属导电性的因素?
(1)温度对电阻率的影响
外部因素
（7）电阻温度系数的意义?
（8）影响金属导电性的因素? （9）本征半导体的导电性及其影响因素。
（10）分析 n型和p型本征半导体的导电性。
（11）分析pn结的导电特性。
（12）了解一些特殊的电效应。
（1）什么是材料的电学性能?
材料的电学性能主要指导电性能和介电性能。 导电性能：有宏观电流，具有电荷输运特性 介电性能：没有宏观电流，具有电荷空间分布特性。
（12）了解一些特殊的电效应。
超导电性（Superconductivity） 接触电性（Contact conductivity） 热电性（Pyroelectricity） 压电性（Piezoelectricity） 铁电性（Ferroelectricity） 光电性（Photoelectricity） 磁电性（Magnetoelectricity）
（2）材料的电阻与什么因素相关?
L R S
材料(结构、成分、工艺等)因素
尺寸因素
（3）材料的导电性理论?
经典自由电子论解释；量子自由电子论解释；能带 论解释。
（4）金属材料的电阻是怎么产生的?
正离子构成晶体点阵，并形成一个均匀的电场， 价电子是完全自由的，称为自由电子。 当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定 向运动形成电流。自由电子在定向运动过程中，不 断与正离子发生碰撞，产生电阻。
（5）简述电阻的机制。
电阻的3种机制
电子-声子散射 电子-电子散射 电子-缺陷散射 基本电阻R1， 理想金属在绝对零度时R1=0 残余电阻R2， 非理想金属在绝对零度时R2>0 反应金属的纯度和完整性
（6）根据对马基申定则的理解，绘制出金属的电 阻率随温度的变化曲线，并解释其机理。
(1)残余电阻率的表示(电阻率随温度无变化) (2)电阻率与缺陷浓度的关系表示 (3)不同金属的电阻率与温度的关系表示
(2)外力对电阻率的影响
(3)几何尺寸对电阻率的影响( Nhomakorabea)加工工艺对电阻率的影响
内部因素
(5)成分对电阻率的影响 (6)晶体结构对电阻率的影响
（9）本征半导体的导电性及其影响因素。
本征激发问题，复合问题。
（10）分析 n型和p型本征半导体的导电性。 载流子，多子，少子。
（11）分析pn结的导电特性。 单相导电性。