第一章材料的导电性
电工材料第五版练习册答案
电工材料第五版练习册答案电工材料是电气工程领域的基础学科之一，它涉及到材料的电性能及其在电气设备中的应用。
以下是《电工材料第五版》练习册的一些模拟答案，供学习者参考。
第一章：导电材料1. 简述导电材料的基本特性。
- 导电材料具有高的电导率，能够快速传递电流。
它们通常具有良好的热稳定性和化学稳定性，以适应不同的工作环境。
2. 列举几种常见的导电材料。
- 常见的导电材料包括铜、铝、银、金等。
3. 导电材料在电力系统中的主要应用是什么？- 导电材料在电力系统中主要用于制造导线、电缆、电机和变压器的导电部件等。
第二章：绝缘材料1. 绝缘材料的主要作用是什么？- 绝缘材料的主要作用是防止电流泄漏，保护电路安全运行。
2. 绝缘材料的分类有哪些？- 绝缘材料主要分为固体绝缘材料、液体绝缘材料和气体绝缘材料。
3. 简述固体绝缘材料的主要特性。
- 固体绝缘材料具有高的电阻率、良好的机械强度和化学稳定性。
第三章：磁性材料1. 磁性材料在电气设备中的作用是什么？- 磁性材料在电气设备中主要用于制造电机、发电机、变压器等设备的磁路部分。
2. 简述软磁材料和硬磁材料的区别。
- 软磁材料具有较低的磁滞损耗和较高的磁导率，易于磁化和退磁；硬磁材料则具有较高的剩余磁感应强度和较高的矫顽力，不易退磁。
第四章：半导体材料1. 半导体材料的导电特性是什么？- 半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过掺杂、温度变化等方法调节其导电性。
2. 列举几种常见的半导体材料。
- 常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
第五章：超导材料1. 超导材料的定义是什么？- 超导材料是指在一定温度以下，电阻率突然降为零的材料。
2. 超导现象的发现者是谁？- 超导现象是由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在1911年发现的。
结束语：电工材料的学习不仅需要理论知识的积累，更需要通过实践来加深理解。
希望这些练习答案能够帮助大家更好地掌握电工材料的相关知识，为未来的电气工程实践打下坚实的基础。
材料的导电性和导热性
材料的导电性和导热性材料的导电性和导热性是研究材料特性和应用领域的重要方面。
导电性指的是材料在外加电场作用下，电荷的自由移动能力。
而导热性则是材料对热的传导能力。
这两种特性的理解和研究对于电子器件以及工程中的热管理都具有重要意义。
从微观结构的角度来看，材料的导电性和导热性主要与其晶体结构和电子结构有关。
在导电性方面，金属由于其特殊的价电子排布形式而具有良好的导电性能。
金属中的电子形成了形如“电子海”的结构，电子能够自由跃迁，使得金属能够在外加电场下形成电流。
相反，绝缘体中的电子排布方式导致电子无法在外加电场下自由移动，因此绝缘体具有较差的导电性能。
导热性与导电性类似，也与材料的晶体结构和电子结构有关。
晶体中原子的排布方式决定了材料的热传导路径。
对于金属材料而言，其晶体结构通常是紧密堆积的，原子之间形成了较密实的结构。
因此金属的导热性能高，原子之间的振动能够有效传递热能。
绝缘体的晶体结构则相对疏松，导热性能较差。
然而，并非所有的金属都具有相同的导电性和导热性能。
同一种金属材料的导电性和导热性还与其他因素有关，例如晶体缺陷、杂质等。
晶体缺陷会影响电子的传输路径和碰撞频率，从而影响导电性和导热性。
杂质的存在可能会改变材料的电子能级分布，从而导致导电性和导热性发生变化。
除了金属和绝缘体，还存在一类介于两者之间的材料，即半导体。
半导体的导电性在一定程度上介于金属和绝缘体之间。
半导体材料中的电子能级结构存在“禁带”，需要外界能量激发才能使电子跃迁到传导带。
在一些特定条件下，半导体通过掺杂等手段可以实现改变其导电性能，从而被广泛应用于电子器件中。
在工程应用方面，材料的导电性和导热性是重要的考虑因素。
例如，在电子器件的设计中，导电性决定了电子的传输效率，因此需要选择具有良好导电性能的材料。
而在热管理的领域，导热性是一个关键问题。
高功率电子器件的散热是一个重要的挑战，有效地提高热传导能力，可以提高电子器件的效率和寿命。
第一章半导体器件的特性讲解
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
第一章2金属材料的性能特点
四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度 和刀具寿命来表示。
切削加工
金属材料具有适当的硬度(170 HBS～230 HBS) 和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当 的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢 的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透 性比较好, 碳钢的淬透性较差。
断后伸长率
A
A
11.3
δ5 δ10
ψ
%
%
断面收缩率
Z
三、硬度 硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度 一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载 荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬 度值。 用钢球压头时硬度 用HBS表示 用硬质合金球时硬 度用HBW表示
布氏硬度计
布氏硬度计的使用
2、洛氏硬度 采用金刚石压头(或硬质合金球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。 卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h。 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。 根据压头的种类和 总载荷的大小洛氏硬度常 用表示方式有: HRA、HRB、HRC
金属材料的强度与其化学成分和工艺有 密切关系。 纯金属的抗拉强度较低； 合金的抗拉强度较高。 纯铜抗拉强度： 60MPa 铜合金抗拉强度：600MPa～700MPa 纯铝抗拉强度： 40MPa 铝合金抗拉强度：400MPa～600MPa
退火状态的三种铁碳合金： 碳质量分数0.2%，抗拉强度为350MPa 碳质量分数0.4%，抗拉强度为500MPa 碳质量分数0.6%，抗拉强度为700MPa
01第一章材料的性能
四、冲击韧性
是指材料抵抗冲击载荷
作用而不破坏的能力。
指标为冲击 韧性值ak(通 过冲击实验
测得)。
冲击实验
缺口试样在摆锤 摆动过程中弯曲 断裂，由摆锤的 高度差(h-h’)， 可以求出摆锤所 失去的能量，即 样品断裂所吸收 的能量；用上述 能量除以试样缺 口处的原始截面 积，规定为冲击 韧性k。
塑性指标与塑性加工特别是冷加工性能有关
金箔
一克黄金可以打制成约0.5平方米的纯金箔，厚度为0.12m。
说明： ① 用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0， 。只有当l0/d0 为常数时，塑 性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示；
当l0=5d0 时，伸长率用5 表示，显然5>
五、导电性 与导热性类似，用电阻率或电导率表示 银，铜，铝电阻率小 玻璃和陶瓷电阻率则很大
六、磁性
根据在磁场中的行为材料有以下分类： 抗磁性材料 顺磁性材料 软磁材料 加磁场时易磁化，外磁场去 掉后，磁性基本消失---纯铁，硅钢片。 铁磁性材料
硬磁材料
加磁场时易磁化，去掉外磁场 后，长期保持较高磁性---钕铁硼。
第一章 材料的性能
使用性能：材料在使用 过程中所表现的性能。
神 舟 一 号 飞 船
包括力学性能、物理性
能和化学性能。
工艺性能：材料在加工
过程中所表现的性能。
包括铸造、锻压、焊接、
热处理和切削性能等。
第一节 材料的力学性能
一、弹性和刚度 二、强度与塑性 三、硬度 四、冲击韧性 五、疲劳 六、断裂韧性
一般，材料熔点越高，高温下保持高 强度能力越强。
三、热膨胀性
线膨胀系数----物体在温度升高一度时 某一方向长度的变化 精密机械要求线膨胀系数小 可以利用热膨胀特性制造温控阀 热膨胀使材料在加热和冷却过程中产生 热应力
材料物理性能思考题
材料物理性能思考题第一章:材料电学性能1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料?2 经典导电理论的主要内容是什么?它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性?3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为?４根据自由电子近似下的量子导电理论解释:准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。
5 自由电子近似下的等能面为什么是球面?倒易空间的倒易节点数与不含自旋的能态数是何关系?为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何为有效电子？价电子与有效电子有何关系?如何根据价电子浓度确定原子的费米半径?7 自由电子的平均能量与温度有何种关系?温度如何影响费米能级？根据自由电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。
8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面有何异同点?9 何为能带理论?它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关系？１0 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律是什么？何为材料的能带结构？11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下会发生禁带重叠或禁带消失现象?试分析禁带的产生原因。
12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？１3 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质量?其物理本质是什么？14 试分析、阐述导体、半导体(本征、掺杂)和绝缘体的能带结构特点。
1５能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同点?1６解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义１7 试指出影响材料导电性的内外因素和影响规律，并分析其原因。
1８材料电阻的测试方法由哪几种？各有何特点?１9 简述用电阻法测绘固溶度曲线的原理和方法。
ET 考试大纲(修订版)
《涡流专业考试大纲（修订版）征求意见稿》第一章涡流检测I级1.1基础理论1.1.1综合知识（见第一篇第一章）1.1.2物理原理1.1.2.1材料的导电特性a.材料按导电性能分类：导体、绝缘体、半导体的定义（A）适合涡流检测的材料（B）b.电阻的定义和计算（A）c.电阻率的定义、表示符号、单位换算（Ω·m和μΩ·cm）（A）d.电导率的定义、表示符号、国际单位制（m/Ωmm2、MS/m）、国际退火铜标准（%IACS）（A）e.影响材料导电性的主要因素（温度、杂质、应力、变形和热处理状态）（C）f.典型材料的导电性：石墨、碳纤维复合材料具有导电性（B）具有非导电表面覆盖层金属的导电性（C）1.1.2.2 材料的磁特性a.根据金属材料被磁化后，对外加磁场的影响程度分类：铁磁性材料（铁磁体）和非铁磁性材料（顺磁体、抗磁体）的定义以及与相对磁导率的对应关系（B）b.铁磁性材料的磁滞回线含义，剩磁和矫顽力的定义（B）c.磁场强度与磁感应强度的定义、表示符号、量纲（A）d.磁导率：磁导率的定义和符号（A）真空磁导率定义、符号、常量数值和单位（A）非铁磁性材料的相对磁导率的符号和常量表示（B）1.1.2.3正弦交流电a.正弦交流电函数表达式、波形图（B）b.正弦交流电的变量（幅值、周期、频率、角频率、相位、相位差）（B）1.1.2.4 电磁感应与涡流a.电磁感应原理（A）b.法拉第电磁感应定律，楞次定律，右手定则（B）c.涡流的定义（A）d.涡流在材料中的分布形式以及流动轨迹的特征（在缺陷处产生环绕）；（C）e.自感和互感现象，自感系数和互感系数的定义及其影响因素（螺线圈导线直径、匝数、几何外形和尺寸）；（C）1.1.2.5趋肤效应与涡流透入深度a.趋肤效应的定义（A）b.涡流密度的分布规律（C）c.涡流标准透入深度与有效透入深度的定义及计算公式（B）1.1.2.6 提离效应和边缘效应a.提离效应的定义（A）b.提离效应的影响以及在覆盖层厚度测量中应用（C）c.边缘效应的定义（A）d.边缘效应的影响（B）1.1.2.7 阻抗a.线圈阻抗的组成、矢量的表示方法（A）b.影响线圈阻抗的因素（C）c.平面阻抗图：阻抗平面的定义与物理意义（C）1.1.3 设备与材料1.1.3.1检测线圈a.检测线圈的分类（A）b.检测线圈的结构特点和适用性，不同结构的检测线圈对不同类型缺陷的响应特点（B）c.填充系数的计算方法（A）1.1.3.2涡流检测仪a.涡流检测仪器的分类：单频、单通道和专用型检测仪器（C）多频、多通道和通用型检测仪器（C）b.涡流检测仪组成单元及各单元主要作用（激励单元、放大单元、处理单元、显示单元）（B）c.涡流信号分析及处理方法（频率分析、幅度鉴别、相位分析、信噪比）（C）d.不同类型涡流检测仪器的适用性（C）1.1.3.3涡流检测辅助装置a.传送装置、磁饱和装置和退磁装置（C）b.辅助装置（探头驱动、标记、分选和记录装置）（C）1.1.3.4标准（对比）试样a.标准试样、对比试样的定义（A）b.标准试样、对比试样的类型、用途、适用性（B）c.对比试样的选择与使用方法（B）d.对比试样制作要求：与检测要求相符、材料和外形相近、模拟人工缺陷具有代表性（C）1.1.4检测技术及实际应用1.1.4.1 管、棒、线材的涡流探伤技术a. 缺陷类型、位置和取向对检测的影响：涡流路径、透入深度、探头类型（B）b. 电磁耦合状态的影响：振动、对中、填充系数（A）c. 差动式检测线圈信号轨迹的形成（C）d. 检测频率的选择原则（B）e. 增益的选择及计算（B）f. 频率、线圈驱动电压、增益、相位、垂直水平比之间的影响（C）g. 检测仪器、线圈、对比试样的选择要求（B）h. 线圈与试件相对运动方式和速度（C）i. 铁磁性材料磁化和退磁处理的必要性（Ｃ）1.1.4.2 零部件的涡流检测技术a. 零部件在制造和使用过程中常见缺陷的类型、检测要求、特点；（B）b. 电磁耦合状态的影响：表面状态、提离、曲面、边缘效应；（A）c. 检测频率的选择原则；（B）d. 增益的选择及计算；（B）e. 频率、线圈驱动电压、增益、相位、垂直水平比之间的影响；（C）f. 检测仪器、线圈、对比试样的选择要求；（B）g. 线圈对试件的相对运动方式、速度，线圈的扫描间距、方向、覆盖率的要求。
第一章 电性能
4、金属间化合物、中间相的电阻率 金属间化合物或中间相导电能力较差，比各组 元小得多，原因在于组成化合物后原子间的金属键 部分地改换为共价键或离子键，使传导电子减少， 甚至因为形成了化合物而变成了半导体，失去导体 性质 5、多相合金的电阻率（p50）
多相合金的电阻率不仅取决于组成相的相对含 量，还取决于组成相的形状、大小和分布，例如： 片状珠光体电阻率>粒状珠光体电阻率，如果两相 形状、大小、导电率相近，则满足线性组合规律， 即：ρ =ρ 1r1+ρ 2r2+…
p 0 (1 p)
αT—应力系数， Ф <0，p为压应力
10
正常金属：随压应力增大，金属的电阻率单调下降，例如：Fe、Ni、Co、 Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr、Hf（电阻率压力系数<0)
反常金属：随压应力增大，金属的 电阻率增大，电阻率压力系数 >0 ，（甚至可改变符号），例 如：碱金属、碱土金属和稀土金 属，Ca、Sr、Sb、Bi 极高的的压应力甚至可导致物质的 金属化——使许多物质由半导体 和绝缘体变为导体，甚至超导体
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1.2 电阻的影响因素
由于晶体点阵的不完整性是引起电子散射的 根本原因，因此温度、形变与合金化均会影响金 属的导电性能。 一、外界条件：温度、应力（环境因素） 1、温度 （1）一般规律：金属电阻率随温度的升高而增大， 温度对有效电子数（nef)和电子平均速度几乎没有 影响，因为在熔点以下其费米能和费米分布受温 度的影响很小，但温度升高，会使离子振动加剧， 热振动幅度加大，原子无序度增加，周期性势场 的涨落加大，从而使电子运动的自由程减小，散 射几率增大而导致电阻率增大。
21
1.3 电阻的测量
U Rx I
材料的导电性和导电材料
材料的导电性和导电材料材料的导电性是指物质对电流的导电能力，而导电材料则是能够有效传递电流的物质。
在现代科技发展的背景下，导电性和导电材料在电子技术、能源科学以及材料科学领域具有重要的应用和研究价值。
本文将从材料的导电性机制以及常见的导电材料两个方面展开讨论。
一、材料的导电性机制材料的导电性主要是由材料内部的电荷输运机制决定的。
根据材料内部电荷的输运方式不同，导电性可分为金属导电和半导体导电两种类型。
1. 金属导电金属导电主要是由于金属材料中自由电子的存在。
在金属中，金属原子的电子外层的原子轨道部分被“束缚”关住，形成价带；而电子外层的自由电子则呈现出一种“流动”状态，构成导体的导带。
当电场作用于金属材料时，自由电子在电场力的驱动下开始运动，形成电流。
2. 半导体导电半导体导电则是因为半导体材料的导带结构与金属不同。
在半导体中，导带与价带之间存在能带隙，即能量差。
当外部施加电场或接受能量激发时，电子可以突破能带间的能量差，从价带跃迁到导带，形成载流子，进而导致电流的传递。
二、常见的导电材料1. 金属材料金属材料是最常见的导电材料之一，具有良好的导电性能。
铜、银、铝等金属都属于优良导体，被广泛应用于电线、电路等电子元件的制造。
金属的导电性能好，是由于金属结构中自由电子的存在。
2. 半导体材料半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。
硅和锗是最常见的半导体材料，具有广泛的应用前景。
半导体材料的导电性可以通过控制材料的掺杂来改变。
P型半导体和N型半导体的结合可以形成PN结，通过施加电场或外界激发，控制电子在导带和价带之间的跃迁，实现对电流的控制。
3. 导电聚合物近年来，导电聚合物也成为研究热点。
导电聚合物是一种特殊的有机材料，具有高导电性和可塑性，可以制备成薄膜、纤维等形式。
常见的导电聚合物有聚对苯二甲酸乙二酯（PEDOT）和聚噻吩（PTh）等。
导电聚合物被广泛应用于柔性电子、聚合物太阳能电池等领域。
除了以上提到的常见导电材料外，还存在着许多特殊的导电材料，如碳纳米管、石墨烯等。
绪论、第一章(材料的电子结构与物理性能)
N=1019左右，当分裂成的1019个能级只分布在几十个eV的范围内时，
每一能级的间隔就非常的小。 电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。 能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。 禁带也是电子能量的“真空”地带。
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
导带电子和价带空穴的浓度相等。
导带 h 价带 Eg
价带电子受光辐射跃迁到导带，在价带上留下空穴
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.3 半导体
本征半导体的电荷迁移率
nq( μe μh )
半导体材料的能隙与电子运动性
材料 C(金刚石) Si Ge Sn 能隙 /eV 5.4 1.107 0.67 0.08 电子运动速率 / cm2· (V· s)-1 1800 1900 3800 2500 孔运动速率 / cm2· (V· s)-1 1400 500 1850 2400
Ef ：费米能
费米能的意义
（1）Ef 以下基本上是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。 （2）由于热运动，电子可具有大于Ef 的能量而跃迁到导带中，但只集 中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。 （3）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef 位 于禁带中央。
电学功能材料 磁学功能材料 光学功能材料 热学功能材料
功能材料
声学和振动相关功能材料
力学功能材料
化学及能量功能材料 放射性相关功能材料
生物技术和生物医学工程材料
第一章 材料的电子结构与物理性能
Chapter 1 Electronic Structure and Physical Properties of Materials 主要内容：
小学学霸作业本基础知识手册电子版科学五上
小学学霸作业本基础知识手册电子版科学五上第一章：物质和材料1.1 物质的分类物质是构成一切事物的基本单位，根据物质的性质可以将其分为三类：•固体：具有一定形状和体积，不易流动，如石头、木头等。
•液体：没有一定形状，但有一定体积，可以流动，如水、饮料等。
•气体：没有一定形状和体积，可以自由流动，如空气、氧气等。
1.2 材料的属性和用途材料是人们用来制造物品的物质，主要有以下的属性和用途：•导热性：材料的导热性能决定了它在热传导中的效果，常用于制作保温材料和散热器等。
•导电性：材料的导电性能决定了它在电传导中的效果，常用于制作导线和电子元件等。
•延展性：材料的延展性决定了它在受力下的形变能力，常用于制作钢筋和弹簧等。
•硬度：材料的硬度决定了它的耐磨性和耐刮性，常用于制作刀具和研磨材料等。
第二章：生物的基本结构2.1 细胞的组成细胞是生物体的基本单位，由细胞膜、细胞质和细胞核组成。
细胞膜是细胞的外包装，控制物质的进出；细胞质是细胞内最主要的成分，包含各种细胞器；细胞核是细胞的控制中心，储存遗传信息。
2.2 组织器官的作用组织器官是由多个细胞组成的，它们合作完成特定的功能。
常见的组织器官包括：心脏、肺、胃等。
心脏能够泵血给全身供氧；肺能够吸入氧气，排出二氧化碳；胃能够消化食物等。
2.3 动物和植物的生长方式动物和植物的生长方式不尽相同。
动物通常是通过细胞分裂来增加体积；而植物则经历有别于动物的光合作用，通过吸收阳光、水和二氧化碳来生长。
第三章：物理的研究方法3.1 观察和实验物理科学的研究方法主要包括观察和实验两种。
观察是直接用肉眼或仪器对物体进行观察和测量，收集所需的数据；实验则是人为制造特定的条件，验证或推断物理规律。
3.2 物理的量和单位物理中常用的量包括：长度、质量、时间等。
而国际通用的单位包括：米、千克、秒等。
以米为基本单位，可以衍生出其他的单位。
3.3 制图和数据分析物理科学中还使用制图和数据分析来呈现研究结果。
第一章--材料的导电性
材料的超导现象 2.2
超导输电
超导材料还可以用于制作超导电线与超导 变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给 用户。据统计，目前的铜或铝导线输电， 约有15%的电能损耗在输电线路上，光是 在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。 若改为超导输电，节省的电能相当于新建 数十个大型发电厂。
材料的超导现象 2.2
第一节、导电性的基本概念与宏观物理量
早期的科学家发现，对于 同一种材料。电阻的大小 与长度成正比，与截面面 积成反比。
第一节、导电性的基本概念与宏观物理量
用电阻率已经能够描述不同物质的导电性 能。物理学家们为了增大学渣们学习物 理的难度。又引入一个定义：电导率
第二节、材料的导电机理分析
无外加电场
存在两个临界磁场（下 临界磁场与上临界磁 场），材料处于下临界 磁场时是完全超导态， 在下临界磁场和上临界 磁场之间，处于混合态。 当磁场达到上临界磁场 时，磁场完全透入材料 并完全恢复到有电阻的 正常态。
第Ⅱ类超导材料
H 外磁场
Hc2(0)
正常态
混合态
Hc1( 0 )
Hc1(T )
超导
T
T c 温度
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
费米能级
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
电子从低能级向高能级排，最 后一个被填充的轨道所对应的 能量就是费米能级。
• 磁脑照相术就是利用超导量子器件的这一性能，它可以 检测出稍大于10万亿分之一特拉斯的脑电信号，并能确 定几毫米范围内的神经信号源。因此，超导材料在医学 上被称作诊断疾病的“神医”。
导电材料-1
q neutS
从而电流强度和电流密度的数值为
I q neuS
j I neu
t
S
电流密度矢量 j 的方向是以正电荷的运动方向为准的，电子带负电，故 j 与它的漂移速度
玻尔兹曼
• 经典电子气的理论计算结果:
N个价电子,3N个自由度,总能量 3NKBT ,只计算动
能 , . EV
3 2
NK BT
CV
( EV T
)V
3 2
NKB
• 经物理困难:试验值只有理论值的1%.
• 索末菲认为:电子不服从经典统计分布而遵守量子
统计分布Fermi-Dirac统计,从而计算出电子气体
固体中电子导电机理 固体中离子的扩散方式有空位机理、间隙机理和亚间
隙机理以及环形机理等。我们主要介绍空位扩散和间隙扩 散机理。
固体中离子扩散机理 固体中离子的扩散方式有空位机理、间隙机理和亚间
隙机理以及环形机理等。
只有金属中公共的电子才可以
1897 J.J.Thomson 视发为现是电自子由电子，电子集体称为
第一章 电功能材料
主要内容
• 导电材料 • 半导体 • 超导材料 • 介电材料 • 铁电材料 • 压电材料
§1.1 材料的导电性
固体的导电是指固体中
的电子或离子在电场作用下的 远程迁移，通常以一种类型的 电荷载体为主，如：电子导体， 以电子载流子为主体的导电； 离子导电，以离子载流子为主 体的导电；混合型导体，其载 流子电子和离子兼而有之。除 此以外，有些电现象并不是由 于载流子迁移所引起的，而是 电场作用下诱发固体极化所引 起的，例如介电现象和介电材 料等。
第一章 金属材料电学性能
一价金属的neff
比二、三价金 属多，因此一 价金属的导电 性好
马基申定则
T
声子散射和电子散射 （与温度成正比）
电子在杂质和缺陷上的 散射（与温度无关）
马基申定则(Matthiessen Rule)
总的电阻包括金属的基本电阻（与温度有关）
和杂质浓度引起的电阻（与温度无关）
三、冷加工变形的影响
室温下部分金属/合金经相当大的冷加工变形后 电阻率的变化 金属/合金 铁、铜、银、铝等 钼 钨 单相固溶体 有序固溶体 电阻率增量 2% ~ 6% 15% ~ 20% 30% ~ 50% 10% ~ 20% 100%
三、冷加工变形的影响
电阻率增大的原因 晶体点阵畸变增加 点 阵 电 场 不 均 匀 电 子 散 射 加 剧
例如，一个原子的2s轨道只能有一个能级，可以
容纳2个电子。2p轨道则有3个能级，一共可以容 纳6个电子。
电子数量增加时能级扩展成能带
能带结构中的有关概念
允带
电子可以具有的能级所组成的能带
满带
一个能带中的各能级都被电子填满
空带
同各个原子的激发能级相对应的能带，在未被激
发的正常情况下没有电子填入
金属材料显微结构与物理性能
总学时 48
金属材料显微结构 32 物理性能 16
考试所占比例
金属材料显微结构 ~67% 物理性能 ~33%
成绩构成
平时成绩 30% 考试成绩 70%
教材及参考资料
教材
陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，2006
参考书
吴雪梅，材料物理性能与检测，科学出版社，2012 宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社，1981 刘强，材料物理性能，化学工业出版社，2009 陈登明，材料物理性能及表征，化学工业出版社，2013 郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，2008
第一章 电学：电子离子导电
到表面所需能量。
Es－离解一个阳离子和一个阴离子到达
低温下：KT<E，故Nf与Ns都较低。只有在高 温下，热缺陷的浓度才明显增大，亦即，固有 电导在高温下才会显著地增大。 E与晶体结构有关，一般Es<Ef，只有结构很
松，离子半径很小的情况下，才容易形成弗仑 克尔缺陷。 2、杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量 和种类。杂质离子的存在，不仅增加了载流子
间隙离子的势垒变化
单位时间沿某一方向跃迁的次数P。 离子迁移与势垒的关系
ν0－间隙原子在半稳定位置上振动频率 无外加电场时，各方向迁移的次数都相同，宏 观上无电荷的定向运动。故介质中无导电现象。 加上电场后，由于电场力的作用，使得晶体中 间隙离子的势垒不再对称。正离子顺电场方向， “迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。
数目，且使点阵发生畸变。杂质离子离解化能 一般来说较小，故低温下，离子晶体的电导主 要由杂质载流子浓度决定。
3.1.2 离子迁移率
间隙离子的势垒
离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散。间 隙离子处于间隙位置时，受周边离子的作用，处 于一定的平衡位置(半稳定位置)。如要从一个间隙 位置跃入相邻间隙位置，需克服高度为U0的势垒 完成一次跃迁，又处于新的平衡位置上。这种扩 散过程就构成了宏观的离子“迁移”。
i ni ei i
i
该式反映电导率的微观本质，即宏观电导率σ 与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量 e以及每种载流子的迁移率的关系。
将主要依据此式来讨论电导的性能。
练习题：
一截面为0.6cm2，长为1cm的金属导体样品， 设μ=8000cm2/Vs，n=1015cm3，试求该样品 的电阻
▲ 只有一种载流电导率可表示为：
不同物质的导电性能教案
不同物质的导电性能教案第一章：导电性的基本概念1.1 电流与导电性电流的定义导电性的概念导体和绝缘体的区别1.2 导电性的测量电阻的定义电阻的测量方法欧姆定律的应用第二章：不同物质的导电性能2.1 金属的导电性金属导体的导电原理不同金属的导电性能比较金属导体的应用实例2.2 非金属的导电性非金属导体的导电原理不同非金属的导电性能比较非金属导体的应用实例第三章：溶液的导电性3.1 电解质与非电解质电解质的定义与特点非电解质的定义与特点电解质溶液的导电原理3.2 溶液的导电性能与离子浓度离子浓度对溶液导电性的影响不同电解质溶液的导电性能比较溶液导电性的应用实例第四章：复合材料的导电性4.1 复合材料的概念复合材料的定义与特点复合材料的导电性能原理复合材料的应用实例4.2 不同复合材料的导电性能不同复合材料的导电性能比较影响复合材料导电性能的因素复合材料导电性能的应用实例第五章：导电性能的实验探究5.1 实验目的与原理实验目的实验原理实验器材与步骤5.2 实验操作与结果分析实验操作步骤实验结果的观察与记录结果分析与结论第六章：人体和动物的导电性6.1 人体导电性原理人体组织中的电解质人体电阻的变化因素人体电击的原理与安全6.2 人体导电性的应用医学中的电诊断生物电现象的研究人体电安全标准第七章：大地导电性7.1 地球的导电性地球的电结构地球导电性的影响因素大地电位的应用7.2 地球导电性的研究地球物理勘探地球电性模型的发展地球导电性与气候变化的关系第八章：电磁波与导电性8.1 电磁波的基本概念电磁波的产生与传播电磁波的特性电磁波与导电性的关系8.2 电磁波在导电介质中的传播导电介质中的电磁波传播特性电磁波在导体中的吸收与反射电磁波在绝缘体中的传播第九章：导电性的应用与技术9.1 电力系统中的导电性输电线路的材料选择接地技术的重要性电能表的原理与应用9.2 电子设备中的导电性电子元器件的导电材料电路板的设计与制造电子设备的散热问题9.3 导电性材料在制造业中的应用导电塑料的制造与应用导电涂层的应用与技术导电纤维的开发与应用第十章：导电性能的测试与评估10.1 导电性能的测试方法直流电阻测量法交流电阻测量法电导率测试法10.2 导电性能的评估与分析实验数据的处理与分析导电性能的评估指标导电性能改进的方法与策略10.3 导电性能测试仪器的使用电桥的使用方法四探针测量仪的操作非接触式电阻测试仪的应用重点和难点解析：1. 第一章中，电流与导电性的基本概念理解是学习导电性的基础。
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电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
费米能级
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
电子从低能级向高能级排，最 后一个被填充的轨道所对应的 能量就是费米能级。
材料的超导现象 2.2
发电机的原理----磁场哪里来？
在发动机低速运转时交流发电机不能自励发电， 所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠 速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电 压1～2V以便对蓄电池充电，由发电机自励发电， 即交流发电机的励磁方法是先他励后自励。
材料的超导现象 2.2
一台普通大型发电机需用15~20吨铜丝绕成 线圈，如果用超导材料作线圈，只要几百克 就够了，而发出的电力却一样.
存在两个临界磁场（下 临界磁场和上临界磁 场），材料处于下临界 磁场时是完全超导态， 在下临界磁场和上临界 磁场之间，处于混合态。 当磁场达到上临界磁场 时，磁场完全透入材料 并完全恢复到有电阻的 正常态。
第Ⅱ类超导材料
H 外磁场
Hc2 ( 0 )
正常态
混合态
Hc1( 0 )
Hc1(T )
超导
T
T c 温度
材料的超导现象 2.2
1908 年在Leiden 大学(荷 兰) , 卡茂林·恩涅斯 (Kamerlingh Onnes )获得 液氦, 并得到了1K 的低温。 1911 年他发现在4 .2K附 近, 水银的电阻突然降到 无法检测的程度。这种在 一定的低温条件下, 金属 突然失去电阻的现象叫超 导电性。发生这种现象的 温度称为临界温度, 并以 Tc 表示。
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
早期的科学家发现，对于 同一种材料。电阻的大小 与长度成正比，与截面面 积成反比。
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
用电阻率已经能够描述不同物质的导电性 能。物理学家们为了增大学渣们学习物 理的难度。又引入一个定义：电导率
第二节、材料的导电机理分析
ห้องสมุดไป่ตู้
无外加电场
材料的超导现象 2.2
超导发电的优势
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性， 因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上 的稳态强磁场。 而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗 3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。
材料的超导现象 2.2
超导发电的优势
超导发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体 积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效 率提高50％。
第一章 材料的导电性
本章目录
1 导电性的基本概念和宏观物理量 2 材料的导电机理分析 3 材料导电性的影响因素及影响规律 4 材料导电性的测量及应
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
不同物质有不同的导电性，如何表征？
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
长度(m)，时间(s)，质量(kg)，温度(K)，电流(A) 光强度单位(cd-坎德拉），物质的量(mol)
材料的超导现象 2.2
超导输电
超导材料还可以用于制作超导电线和超导 变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给 用户。据统计，目前的铜或铝导线输电， 约有15%的电能损耗在输电线路上，光是 在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。 若改为超导输电，节省的电能相当于新建 数十个大型发电厂。
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论
量子自由电子学说认为： •自由电子在均匀的等势场中以粒子波的形式 运动； •电子的能量是量子化的，能级是准连续的； •电子按能级的分布规律遵循费米狄拉克统计 分布规律； •价电子（自由电子）中只有一部分电子在受 到外部能量的激发跃迁到费米能级以上的允许 能级时，才能成为直正意义的自由电子——有 效电子。
材料的超导现象 2.2
材料的超导现象 2.2
材料的超导现象 2.2
迈斯纳效应（完全抗磁性）
材料的超导现象 2.2
临界磁场
材料的超导现象 2.2
三个临界参数 1. 临界温度 2. 临界磁场 3. 临界电流
T T c,H H c,IIc
材料的超导现象 2.2
Josephson 效应
材料的超导现象 2.2
材料的超导现象 2.2
超导材料的应用
高温超导材料的用途，大致可分为以下三类： （１）大电流应用（强电应用）； （２）电子学应用（弱电应用）； （３）抗磁性应用。
材料的超导现象 2.2
发电机的原理
材料的超导现象 2.2
发电机的原理----磁场哪里来？
1、他励 在发动机起动期间，由蓄电池为励磁绕组提供励 磁电流，以增强磁场，使发电机在低速转动时电 压能迅速上升，从而实现发动机怠速时发电机能 向蓄电池充电，这种供给磁场电流的方式称为他 励发电。 2、自励 随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并外 输出，当发电机能对外供电时，就可以把自身发 的电供给磁场绕组励磁电流，这种供给磁场电流 的方式称为自励。
电子导电的机理分析 2.1
量子导电理论 绝缘体、半导体、导体
电子导电的机理分析 2.1
电阻的来源
能带理论认为：能带中的电子可在晶格 中自由运动，因此电子波通过理想晶体 点阵(0K）时不受散射，电阻为0。电阻 的来源：破坏晶格周期性的因素对电子 的散射。A.杂质和缺陷（空位、间隙原 子、位错、晶界等）。B.声子：晶格振 动波的能量子。
Cooper 电子对
在临界温度以下，两个电子可“组团”形成电 子对。组团后的电子通过导体的能力大大加强。
材料的超导现象 2.2
第Ⅰ类超导材料 在临界磁场以下，磁 通是完全被排斥在超 导体之外的，只要磁 场高于临界磁场，磁 场就完全透入超导体 中，材料也恢复正常。
超导态向正常态的转变无任何中间态。
材料的超导现象 2.2
有外加电场
电子导电的机理分析 2.1
经典自由电子导电理论
基本出发点： 1、价电子是自由的 2、价电子之间没有交互作用 3、价电子和离子实（原子核+内层电子）之 间没有交互作用。 4、电子能量满足波尔兹曼分布。
电子导电的机理分析 2.1
经典自由电子导电理论
波尔兹曼分布
电子导电的机理分析 2.1
经典自由电子导电理论