材料物理性能材料的电导优秀课件
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无机材料物理性能PPT课件
电子位移极化
弹性模型 +e
-e
建立牛顿方程： ma= -kx - eEoe it 电偶极矩： = -ex= Eoe it{1/[(k/m)o2－ 2]}e2/m 弹性振子的固有频率 ： o=(k/m)1/2 有： = e Eloc 得：
动态
e
e2 m
2 0
1
2
静态
e2 e2
e
m2 0
k
电子位移极化
+ 空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF：
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos
由 qE=F
1×E=F E=F
有立方对称的参考点位置，如果所有原
子都可以用平行的点型偶极子来代替，
则E3 =0。
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据
D= o E+P
得
P =D－ o E=（ 1－ o ） E
= o （ r－ 1） E
由
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
=E+ o （ r－ 1） /3o
对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：
r r
1 2
1
3 0
nkk
k
三、介质的总极化
第一种，位移极化： 位移式极化------弹 性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。
第二种，松弛极化：该极化与热运动有 关，其完成需要一定的时间，且是非弹 性的，需要消耗一定的能量。
第 05-1 讲材料物理性能与测试PPT
V v h I
r1
2
如果要得到更精确的测定结果，可 采用下面的经验公式：
2 S (r1 r2 ) 4 4h Rv v 2 r1 r2
(r1 r2 ) V v 4h I
2
3.表面电阻和表面电阻率
板状式样
圆片试样
I V
r1 a r2 b
Q ——通过的电量
F ——法拉第常数
用此可检验材料中是否存在离子电导。
2.迁移率和电导率的一般表达式
物体的导电现象，其微观本质是载流子在 电场作用下的定向迁移。
V=1cm3
设单位截面积为 S 1cm 2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数为ncm 3 ，每一载流子的电荷 量为q ，则单位体积内参加导电的自由电荷 为 nq 。 如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的 力等于 qE。在这个力的作用下，每一载流子在 E方 向发生漂移，其平均速度为 vcm s 。容易看出， 单位时间（1s）通过单位截面 S 的电荷量为：
第五章
无机材料的电导
电导的物理现象 离子电导 电子电导 无机非金属材料电导 电导的应用
5.1 电导的物理现象
欧姆定律示意图
一.电导的宏观参数
1.电导率和电阻率 长L，横截面S的均匀导电体，两端加电压V， 根据 欧姆定律： I V R （5.1） 在这样一个形状规则的均匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一样的，总电流强度： I SJ （5.2）
J nqv
(
J I S)
根据欧姆定律及 R h s ，可推导：
欧姆定律最一般的形式： J E E
因为 、 只决定于材料的性质，所以电流密 度与几何因子无关，这就给讨论电导的物理本 质带来了方便。
r1
2
如果要得到更精确的测定结果，可 采用下面的经验公式：
2 S (r1 r2 ) 4 4h Rv v 2 r1 r2
(r1 r2 ) V v 4h I
2
3.表面电阻和表面电阻率
板状式样
圆片试样
I V
r1 a r2 b
Q ——通过的电量
F ——法拉第常数
用此可检验材料中是否存在离子电导。
2.迁移率和电导率的一般表达式
物体的导电现象，其微观本质是载流子在 电场作用下的定向迁移。
V=1cm3
设单位截面积为 S 1cm 2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数为ncm 3 ，每一载流子的电荷 量为q ，则单位体积内参加导电的自由电荷 为 nq 。 如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的 力等于 qE。在这个力的作用下，每一载流子在 E方 向发生漂移，其平均速度为 vcm s 。容易看出， 单位时间（1s）通过单位截面 S 的电荷量为：
第五章
无机材料的电导
电导的物理现象 离子电导 电子电导 无机非金属材料电导 电导的应用
5.1 电导的物理现象
欧姆定律示意图
一.电导的宏观参数
1.电导率和电阻率 长L，横截面S的均匀导电体，两端加电压V， 根据 欧姆定律： I V R （5.1） 在这样一个形状规则的均匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一样的，总电流强度： I SJ （5.2）
J nqv
(
J I S)
根据欧姆定律及 R h s ，可推导：
欧姆定律最一般的形式： J E E
因为 、 只决定于材料的性质，所以电流密 度与几何因子无关，这就给讨论电导的物理本 质带来了方便。
材料物理性能学之材料的电性能(ppt 65页)
电导率逐渐增高的顺序
边界处可以有重叠，而且严格来讲， 说一种材料是半导体还是金属要看 其电阻-温度特性
σ→∞
超导体
金属 1 0 0 ~ 1 0 7 半导体 1 0 - 7 ~ 1 0 2 绝缘体 1 0 - 1 8 ~ 1 0 - 6
非满带电子 加电场前
非满带电子 加电场后
ne 2 l
m ev
• 正(负)电荷： positive (negative) charge
• ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体管：
transistor
• 二极管：
diode
• 一提到半导体，就离不开晶体管。‘管’ 这个概念是从电子管借过来用的，现在的 半导体元件管状的不多见，尤其集成电路 中。
晶体管
晶体管的发明
• 肖克莱、巴丁、布拉顿（美国）贝尔实验 室，1948年6月正式申请专利。
2.3 半导体材料
带隙较小的‘绝缘体材料’，在室温时会有热 激发到导带的电子参与导电，同时价带留下的 空穴也参与导电。空穴导电的本质依然是电子 的运动。
满带电子不导电，要想导电就要有非满带。 要么就不是电子机制的导电。
参考书：《固体物理简明教程》，蒋平，徐至中 编著， 复旦大学出版社，2000年9月。
• 表征某种载流子对于总体电导贡献的是输运数： tx=σx/ σT
• 各种载流子的迁移数ti+，ti-，th+，te• 当ti>0.99时，这样的材料成为离子(电)导体，
0<ti<0.99 的材料称为混合(电)导体。
• 表征材料电性能的主要参量是电导率。 • 电导率由欧姆定律给出：J=σE，V=I R • 材料的电阻：R=ρL/S • 工程中也用相对电导率IACS%来表征导体材料的
《材料的导电性能》课件
掺杂的影响
总结词
掺杂对材料的导电性能具有重要影响。
详细描述
通过在材料中掺入其他元素或杂质，可以显著改变其导电性能。例如，在金属中掺入杂 质可能会形成新的能级，从而影响电子的迁移率。在半导体中掺入杂质可以提高其导电 性能，这是因为在杂质能级上可以产生额外的载流子。通过控制掺杂的种类和浓度，可
以实现对材料导电性能的有效调控。
04
导电性能的测量
电导率的测量
总结词
电导率是衡量材料导电性能的重要参数，其数值越大表示 导电性能越好。
总结词
在测量过程中，需要保持测量环境恒温恒湿，以减小环境 因素对测量结果的影响。
详细描述
电导率的测量通常采用四探针法，通过测量材料两端的电 流和电压，计算出电导率值。这种方法适用于各种类型的 材料，包括导体、半导体和绝缘体。
半导体导体的导电原理
半导体导体的导电能力介于金属导体和绝缘体之间。在一定温度下，半导体导体 中会有少量载流子（电子或空穴）产生，这些载流子在电场的作用下可以移动， 形成电流。
半导体的导电能力受到温度、光照、杂质等因素的影响。温度升高或光照增强， 半导体中的载流子数量会增加，从而提高导电能力。杂质也会影响半导体的导电 能力，不同杂质对半导体的导电性能有不同的影响。
02
导电性能的原理
金属导体的导电原理
金属导体的导电主要依靠自由电子。在金属晶体中，自由电 子可以在金属原子之间的空隙中自由移动。当电场施加时， 自由电子会向电场方向移动，形成电流。
金属的导电能力与温度、金属的纯度、金属的种类等因素有 关。温度升高或金属纯度降低，都会降低金属的导电能力。 不同金属的导电能力也有所不同，这取决于金属的电子结构 和晶体结构。
05
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。
材料的导电性能课件
• 但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠 使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以 镁具有导电性。
材料的导电性能
14
铝原子的电子结构： 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p1 1s 2 2s 2 2 p 6满带
但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些 电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的 3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非 常好。银和金的情况与铜类似。
材料的导电性能
17
金属的能带结构特征：
存在未满的价带或存在 价带和其上的空带交叠
被价电子占据的最高能级 上存在许多空能级
第3章 导电物理
3.2 能带结构及导电材料
材料的导电性能
1
3.2.1 能带结构 3.2.2 导电材料与电阻材料 3.2.3 其他材料的导电性能
材料的导电性能
2
根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。 Pauli不相容原理，每个能级只能容纳2个电子
电子填充能带的原则：
1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态 2、首先填充能量最小的状态
3 p1 :
与之相应能带仅部分填充
3s 能带与 3 p能带存在交叠
Al 金属电子能带 3p 3s
材料的导电性能
15
过渡族金属的电子结构
2 4C r 25Mn 26Fe 27C o 28Ni 29C u
1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s13d 5
1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 2 3d 5 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 2 3d 6 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s 2 3d 7
材料的导电性能
14
铝原子的电子结构： 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p1 1s 2 2s 2 2 p 6满带
但铜是一个例外。铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些 电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的 3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非 常好。银和金的情况与铜类似。
材料的导电性能
17
金属的能带结构特征：
存在未满的价带或存在 价带和其上的空带交叠
被价电子占据的最高能级 上存在许多空能级
第3章 导电物理
3.2 能带结构及导电材料
材料的导电性能
1
3.2.1 能带结构 3.2.2 导电材料与电阻材料 3.2.3 其他材料的导电性能
材料的导电性能
2
根据原子结构理论，每个电子都占有一个分立的能级。 Pauli不相容原理，每个能级只能容纳2个电子
电子填充能带的原则：
1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态 2、首先填充能量最小的状态
3 p1 :
与之相应能带仅部分填充
3s 能带与 3 p能带存在交叠
Al 金属电子能带 3p 3s
材料的导电性能
15
过渡族金属的电子结构
2 4C r 25Mn 26Fe 27C o 28Ni 29C u
1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s13d 5
1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 2 3d 5 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 2 3d 6 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4 s 2 3d 7
(推荐)《材料物理性能》PPT课件
焓 内能
P
比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。
cp与cv哪个大？ cp＞cv 原因？ cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。 12
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。
CV,m
3R1
2 TD3
D T 0
x3 d
ex 1
xe3 T DTD1
ω x
kT
讨论： （1）高温时（T＞＞θD ） ex 1x
1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 ×1023），1mol原子 的总能量为： E＝3NkT＝3RT
＝3R＝3 × 8.314≈25J/K·mol
(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。
13
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
2. 化合物的热容定律——奈曼－柯普定律
通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
xn+1 。该质点的运动方程为：
Em为微观弹
性模量。
描述： 相邻质点振动位移间的关系。
说明： 临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。
3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质
P
比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。
cp与cv哪个大？ cp＞cv 原因？ cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。 12
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。
CV,m
3R1
2 TD3
D T 0
x3 d
ex 1
xe3 T DTD1
ω x
kT
讨论： （1）高温时（T＞＞θD ） ex 1x
1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 ×1023），1mol原子 的总能量为： E＝3NkT＝3RT
＝3R＝3 × 8.314≈25J/K·mol
(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。
13
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
2. 化合物的热容定律——奈曼－柯普定律
通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
xn+1 。该质点的运动方程为：
Em为微观弹
性模量。
描述： 相邻质点振动位移间的关系。
说明： 临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。
3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质
材料的电导性能PPT课件
7
• (2)迁移率和电导率的一般表达式
• 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作 用下的定向迁移。
8
题：
一电子电导材料载流子是电子，载流子密度即单位体积的电子数为 n=1.0×1018cm-3, 在两端加一E=10v.cm-1的电场强度，若电子的运动 速度为n=1.0×104cm.s-1，求：
. L
S
J E .E
此即欧姆定律的微分形式
4
J E .E
• 微分式说明导体中某点的电流密度（单位时间内 通过单位面积的电荷）正比于该点的电场强度,比 例系数为电导率σ 。 电导率即单位电场强度下，单位时间内通过单位 面积的电荷。
• 电场强度E－伏特/厘米; • 电流密度J－安培/厘米2; • 电阻率ρ－欧姆.厘米; • 电导率σ－西门子.厘米-1
(1) 单位时间内通过单位横截面积的电荷数J；
(2) 已知电子的运动速度和电场强度成正比，定义载流子的迁移率m为单位电场下， 载流子的运动速度，求迁移率m ；
(3) 单位电场下，单位时间内通过单位横截面积的电荷数，即电导率 ； (4) 根据载流子密度和载流子迁移率，求电导率 。 解: (1) J=nqn
霍尔效应的起源： 源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场 中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向既与电荷运动的方向 垂直，也与磁场方向垂直。
12
霍尔系数RH=μ.ρ，即霍尔常数等于材料的电阻率ρ与电子 迁移率μ的乘积。
霍尔系数RH有如下表达式：
RH
1 nie
对于半导体材料：
n型：
RH
5
电阻率（电导率）是材料的固有性能 导体、半导体和绝缘体 注意：不同的手册，划分范围不尽相同。
• (2)迁移率和电导率的一般表达式
• 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作 用下的定向迁移。
8
题：
一电子电导材料载流子是电子，载流子密度即单位体积的电子数为 n=1.0×1018cm-3, 在两端加一E=10v.cm-1的电场强度，若电子的运动 速度为n=1.0×104cm.s-1，求：
. L
S
J E .E
此即欧姆定律的微分形式
4
J E .E
• 微分式说明导体中某点的电流密度（单位时间内 通过单位面积的电荷）正比于该点的电场强度,比 例系数为电导率σ 。 电导率即单位电场强度下，单位时间内通过单位 面积的电荷。
• 电场强度E－伏特/厘米; • 电流密度J－安培/厘米2; • 电阻率ρ－欧姆.厘米; • 电导率σ－西门子.厘米-1
(1) 单位时间内通过单位横截面积的电荷数J；
(2) 已知电子的运动速度和电场强度成正比，定义载流子的迁移率m为单位电场下， 载流子的运动速度，求迁移率m ；
(3) 单位电场下，单位时间内通过单位横截面积的电荷数，即电导率 ； (4) 根据载流子密度和载流子迁移率，求电导率 。 解: (1) J=nqn
霍尔效应的起源： 源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场 中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向既与电荷运动的方向 垂直，也与磁场方向垂直。
12
霍尔系数RH=μ.ρ，即霍尔常数等于材料的电阻率ρ与电子 迁移率μ的乘积。
霍尔系数RH有如下表达式：
RH
1 nie
对于半导体材料：
n型：
RH
5
电阻率（电导率）是材料的固有性能 导体、半导体和绝缘体 注意：不同的手册，划分范围不尽相同。
材料物理材料的介电性能PPT课件
例如，H2O Hcl CO SO2
因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
电介质
极化面 电荷
–
+–
+
+ – + –
+
–
+–
+ – E0 + –
+
–
–
+ – + –
+–
+
–
+ –E E+ –
+–
+
无外场时，电偶极子杂乱无章的排列
3、极化机制
电子位移极化
无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
A、电容材料
I、存储电能
传统 电容 器
VS
电 池
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池 特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功 率密度和更长的循环寿命。
A、电容材料
I、存储电能
A、电容材料
A、电容材料
I、存储电能
制备高性能的超级电容器有2个途径: A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量; B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提 高准电容容量。 实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。
A、电容材料
I、存储电能
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
以双电层为主
活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米 管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
3、极化机制
离子位移极化
因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
电介质
极化面 电荷
–
+–
+
+ – + –
+
–
+–
+ – E0 + –
+
–
–
+ – + –
+–
+
–
+ –E E+ –
+–
+
无外场时，电偶极子杂乱无章的排列
3、极化机制
电子位移极化
无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
A、电容材料
I、存储电能
传统 电容 器
VS
电 池
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池 特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功 率密度和更长的循环寿命。
A、电容材料
I、存储电能
A、电容材料
A、电容材料
I、存储电能
制备高性能的超级电容器有2个途径: A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量; B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提 高准电容容量。 实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。
A、电容材料
I、存储电能
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
以双电层为主
活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米 管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
3、极化机制
离子位移极化
第二章材料物理性能 ppt课件
(c)反常元素
一些半导体和绝缘体转变为导体的压力极限
元素
S Se Si Ge I
p极限/ GPa ρ/(μΩ·m)
元素
40
-
H
12.5 16 12 22
-
金刚石
-
P
-
AgO
500
p极限/ GPa 200 60 20 20
ρ/(μΩ· m)
-
60±20 70±20
-
22
(三).冷加工和缺陷对电阻率的影响 (1)晶体缺陷使金属的电阻率增加
D
特征温度。 常用的非过渡族金属的德拜温度一般不超过500K。
12
在德拜温度以上，可以认为电子是完 全自由的，金属的电阻取决于离子的 热振动。此时，纯金属的电阻率与温
度关系为 T 电声
1 电声 T (T 2 3 D );
2
电声
T
5 (T D
);
3 电电 T 2 (T 2K)
19
正常金属元素：电阻率随压力增大而下降；（铁、 钴、镍、钯、铂、铱、铜、银、金、锆、铪等）
反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第 V族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力升 高一定值后系数变号。研究表明，这种反常现象和压力 作用下的相变有关。
20
压力对金属电阻的影响
21
(a) (b)正常元素
3
4
表1. 常见材料的电阻率 （×10-8Ωm）
材料 Ag Cu Al Fe Mn 电阻率 1.46 1.54 1.72 5.88 260
5
2.2 电子类载流子导电
22..22..11金金属属导导电电机机制制
e2 n e2 n l 2m 2m
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轴场方Ey沿，向试这加样一一x现磁轴象场方称H向z为，通霍那入尔么电效在流应yI轴（。方电所向流产上密生将度电产J场x）生为，一：Z电
Ey RH J x H z
RH为霍尔系数。若载流子浓度为ni，则
RH
1
ni e
根据电导率公式 niei ，则 H RH
（ 称为霍尔迁移率） H
霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生 横向移动的结果，离子的质量比电子大得多，磁场作 用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不呈 现霍尔效应。利用霍尔效应可检验材料是否存在电子 电导。
对于圆片试样：两环形电极 a 、g 间为等电位，其表面 电阻可以忽略。设主电阻 a 的有效面积为 S r12
则体积电阻
RV
V I
h
VS
h
V r12
r12 V
V h I
如果要得到更精确的测定结果，可采用下面的经验公
式：
S
4
r1
r2
2
RV
V
4h (r1 r2
)
2
V
(r1 r2 )2
Al－Si熔体 －Al2O3
4. 高温氢燃料电池
O2
ZrO2 H2
ZrO2
O2
工作温度：800－10000C 燃料电池的开路电压: V0=(RT/nF)ln[PO2(c)/PO2(a)] 高温燃料电池的阴极反应： O2(c)+4e - 2O 2阳极反应: 2O 2- O2(a)+4e -
5. 测氧计（氧浓差电池）
I
2V
1
l1
1
l3
1
l1 l2
l2
1
l3
如果l1 l2 l3 l ，则 I 2lV
二.电导的物理特性
1.载流子（电荷的自由粒子） 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 子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电 子电导。
1）霍尔效应 电子电导的特性是具有霍尔效应。
C ——电化当量
F ——法拉第常数
2.迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流 子数为 n cm3 ，每一载流子的电荷量为 q，则单位体
积内参加导电的自由电荷为 nq。
如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的 力等于 qE。在这个力的作用下，每一载流子在 E 方
2. 钠－硫电池 应用于高放电电流密度的高能蓄电池。
不锈钢 外壳
Na 阳极
钠硫电池
－Al2O3电解质
S 阴极
电池的结构式： Na | Na+－ －Al2O3| Na2Sx S C 电池反应：2Na+xS=Na2Sx
3. Na离子传感探头
V －Al2O3
－ － － － － －－ －－ － － －－ － － －－ － －－ －－－－－－
2）电解效应（离子电导特征）
离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移 伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生 电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。
可以检验陶瓷材料是否存在离子电导，并且 可以判定载流子是正离子还是负离子。
法拉第电解定律： g CQ Q F
பைடு நூலகம் ——电解物质的量 Q ——通过的电量
2.体积电阻与体积电阻率 图5.1中电流由两部分组成
I IV 体积电流 Is 表面电流
因而定义体积电阻 RV V IV 表面电阻 RS V IS
代入上式得： 1 1 1 R RV RS
表示了总绝缘电阻、体积电阻、表面电阻之间的关系。 由于表面电阻与样品表面环境有关，因而只有体积电 阻反映材料的导电能力。通常主要研究材料的体积电 阻。
4h
V I
3.表面电阻与表面电阻率
RS
S
l b
(板状试样)
l为电极间的距离，b为电极的长度，ρs为样品的表 面电阻率。（图5.4）
圆片试样，环形电极的内
外径分别为r1，r2
ln r2
Rs
r2 r1
s
dx
2x
s
r1
2
4.直流四端电极法
如图5.6
lI
sV
室温下测量电导率 通常采用四探针法，测得电导率为：
向发生漂移，其平均速度为 vcm s。容易看出，
单位时间（1s）通过单位截面 S 的电荷量为
J nqv
J——电流密度 J I S
根据欧姆定律 R h s
J E E
该式为欧姆定律最一般的形式。因为 、 只决
空气 O2(c)
被检测气体 O2(a)
6. 高温加热器（ZrO2熔点为26000C）
温度0C
700
电导率S/m 1
1000 102
2000 104
～
第一节 电导的物理现象
一.电导的宏观参数
1.电导率和电阻率
长L，横截面S的均匀导电体，
两端加电压V 根据欧姆定律
I V R
（5.1）
在这样一个形状规则的均匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一样的，总电流强度
材料物理性能材料的电导
材料的电导－－－－－固体电解质
• 固体电解质既保持固态特点，又具有与熔融强电解 质或强电解质水溶液相比拟的离子电导率。
• 结构特点不同于正常态离子固体，介于正常态与熔 融态的中间相------固体的离子导电相。
• 导电相在一定的温度范围内保持稳定的性能。为区 分正常离子固体，将具有这种性能的材料称为快离 子导体。
• 良好的固体电解质材料应具有非常低的电子电导率。
• 应用领域：能源工业、电子工业、机电一体化等领 域。
固体电解质的应用
1. 低能密度电池
低能密度------电池在低电流条件下应用。 特点:重量轻、体积小、电压稳定、储存寿命长、产 生微安级电流。 主要应用：手表、心脏起搏器、精密电子仪器的基准 电源。 可用的固体电解质：含Ag+的固体电解质。
I SJ （5.2）
同样 电场强度也是均匀的 V LE （5.3）
把（5.2）（5.3）代入（5.1）则：
除以S得：
SJ LE R
J L E1E
SR
RS L 为材料的电阻率，电阻率倒数为电导率，
即 1 ，上式可写为
J E
这是欧姆定律的微分形式，适用于非均匀导体。
微分式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。
体积电阻RV与材料性质及样品几何尺寸有关
RV
V
h S
h ——板状样品厚度（cm），
S ——板状样品电极面积（cm2）
——体积电阻率（Ω·cm），它是描写材料电阻 V 性能 的参数，只与材料有关。
对于管状试样：
dRV
V
dx
2xl
RV
r2 V dx V ln r2 r1 2l x 2l r1
Ey RH J x H z
RH为霍尔系数。若载流子浓度为ni，则
RH
1
ni e
根据电导率公式 niei ，则 H RH
（ 称为霍尔迁移率） H
霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生 横向移动的结果，离子的质量比电子大得多，磁场作 用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不呈 现霍尔效应。利用霍尔效应可检验材料是否存在电子 电导。
对于圆片试样：两环形电极 a 、g 间为等电位，其表面 电阻可以忽略。设主电阻 a 的有效面积为 S r12
则体积电阻
RV
V I
h
VS
h
V r12
r12 V
V h I
如果要得到更精确的测定结果，可采用下面的经验公
式：
S
4
r1
r2
2
RV
V
4h (r1 r2
)
2
V
(r1 r2 )2
Al－Si熔体 －Al2O3
4. 高温氢燃料电池
O2
ZrO2 H2
ZrO2
O2
工作温度：800－10000C 燃料电池的开路电压: V0=(RT/nF)ln[PO2(c)/PO2(a)] 高温燃料电池的阴极反应： O2(c)+4e - 2O 2阳极反应: 2O 2- O2(a)+4e -
5. 测氧计（氧浓差电池）
I
2V
1
l1
1
l3
1
l1 l2
l2
1
l3
如果l1 l2 l3 l ，则 I 2lV
二.电导的物理特性
1.载流子（电荷的自由粒子） 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 子的电导为离子电导，载流子为电子的电导为电 子电导。
1）霍尔效应 电子电导的特性是具有霍尔效应。
C ——电化当量
F ——法拉第常数
2.迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流 子数为 n cm3 ，每一载流子的电荷量为 q，则单位体
积内参加导电的自由电荷为 nq。
如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的 力等于 qE。在这个力的作用下，每一载流子在 E 方
2. 钠－硫电池 应用于高放电电流密度的高能蓄电池。
不锈钢 外壳
Na 阳极
钠硫电池
－Al2O3电解质
S 阴极
电池的结构式： Na | Na+－ －Al2O3| Na2Sx S C 电池反应：2Na+xS=Na2Sx
3. Na离子传感探头
V －Al2O3
－ － － － － －－ －－ － － －－ － － －－ － －－ －－－－－－
2）电解效应（离子电导特征）
离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移 伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生 电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。
可以检验陶瓷材料是否存在离子电导，并且 可以判定载流子是正离子还是负离子。
法拉第电解定律： g CQ Q F
பைடு நூலகம் ——电解物质的量 Q ——通过的电量
2.体积电阻与体积电阻率 图5.1中电流由两部分组成
I IV 体积电流 Is 表面电流
因而定义体积电阻 RV V IV 表面电阻 RS V IS
代入上式得： 1 1 1 R RV RS
表示了总绝缘电阻、体积电阻、表面电阻之间的关系。 由于表面电阻与样品表面环境有关，因而只有体积电 阻反映材料的导电能力。通常主要研究材料的体积电 阻。
4h
V I
3.表面电阻与表面电阻率
RS
S
l b
(板状试样)
l为电极间的距离，b为电极的长度，ρs为样品的表 面电阻率。（图5.4）
圆片试样，环形电极的内
外径分别为r1，r2
ln r2
Rs
r2 r1
s
dx
2x
s
r1
2
4.直流四端电极法
如图5.6
lI
sV
室温下测量电导率 通常采用四探针法，测得电导率为：
向发生漂移，其平均速度为 vcm s。容易看出，
单位时间（1s）通过单位截面 S 的电荷量为
J nqv
J——电流密度 J I S
根据欧姆定律 R h s
J E E
该式为欧姆定律最一般的形式。因为 、 只决
空气 O2(c)
被检测气体 O2(a)
6. 高温加热器（ZrO2熔点为26000C）
温度0C
700
电导率S/m 1
1000 102
2000 104
～
第一节 电导的物理现象
一.电导的宏观参数
1.电导率和电阻率
长L，横截面S的均匀导电体，
两端加电压V 根据欧姆定律
I V R
（5.1）
在这样一个形状规则的均匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一样的，总电流强度
材料物理性能材料的电导
材料的电导－－－－－固体电解质
• 固体电解质既保持固态特点，又具有与熔融强电解 质或强电解质水溶液相比拟的离子电导率。
• 结构特点不同于正常态离子固体，介于正常态与熔 融态的中间相------固体的离子导电相。
• 导电相在一定的温度范围内保持稳定的性能。为区 分正常离子固体，将具有这种性能的材料称为快离 子导体。
• 良好的固体电解质材料应具有非常低的电子电导率。
• 应用领域：能源工业、电子工业、机电一体化等领 域。
固体电解质的应用
1. 低能密度电池
低能密度------电池在低电流条件下应用。 特点:重量轻、体积小、电压稳定、储存寿命长、产 生微安级电流。 主要应用：手表、心脏起搏器、精密电子仪器的基准 电源。 可用的固体电解质：含Ag+的固体电解质。
I SJ （5.2）
同样 电场强度也是均匀的 V LE （5.3）
把（5.2）（5.3）代入（5.1）则：
除以S得：
SJ LE R
J L E1E
SR
RS L 为材料的电阻率，电阻率倒数为电导率，
即 1 ，上式可写为
J E
这是欧姆定律的微分形式，适用于非均匀导体。
微分式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。
体积电阻RV与材料性质及样品几何尺寸有关
RV
V
h S
h ——板状样品厚度（cm），
S ——板状样品电极面积（cm2）
——体积电阻率（Ω·cm），它是描写材料电阻 V 性能 的参数，只与材料有关。
对于管状试样：
dRV
V
dx
2xl
RV
r2 V dx V ln r2 r1 2l x 2l r1