第7章 材料的电学性质和磁学性质

影响离子电导率的因素之晶体结构
离子电导率随活化能按指数规律变化，而活化能反映离子的固 定程度，它与晶体结构有关。那些熔点高的晶体，晶体结合力 大，相应活化能也高，电导率就低。
离子电荷的高低对活化能也有影响。一价正离子尺寸小，电荷 少，活化能小，迁移率较高；高价正离子价键强，从而活化能 大，故迁移率较低。
影响无机非金属材料电导率的因素
1) 影响离子电导率的因素 2) 影响电子电导率的因素
影响离子电导率的因素之温度
随着温度的升高，离子电导按指数规 律增加。 在低温下(曲线1)杂质电导占主要地位。 这是由于杂质活化能比基本点阵离子的 活化能小许多的缘故。在高温下(曲线 2)，本征电导起主要作用。因为热运动 能量的增高，使本征电导的载流子数显 著增多，这两种不同的导电机制，使曲 线出现了转折点A。但是温度曲线中的 转折点并不一定都是由两种不同的离子 导电机制引起的。刚玉瓷在低温下发生 杂质离子电导，高温下则发生电子电导。
I=U/R
材料导电性的量度为电阻率或电导率 电阻R与导体的长度L成正比，与导体的截面积S成反比
Hale Waihona Puke Baidu
R
L S
1
L S
式中ρ为电阻率，单位Ω·m
电阻由体积电阻Rv及表面电阻Rs两部分组成
1 1 1 R Rv Rs
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。
结构紧密的离子晶体，由于可供移动的间隙小，则间隙离子迁 移困难，即其活化能高，因而可获得较低的电导率。
影响离子电导率的因素之晶格缺陷
具有离子电导的固体物质称为固体电解质。实际上， 只有离子晶体才能成为固体电解质。共价键晶体和分 子晶体都不能成为固体电解质。但是并非所有的离子 晶体都能成为固体电解质。离子晶体要具有离子电导 的特性，必须具备以下两个条件：电子载流子的浓度 小；离子晶格缺陷浓度大并参与电导。离子性晶格缺 陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。
0.093×107
非金属 石墨 SiC
锗（纯） 硅（纯） 酚醛树脂（电木）
窗玻璃 Al2O3 云母 有机玻璃 BeO 聚乙烯 聚苯乙烯 合金钢
石英玻璃
聚四氟乙烯
σ 105平均
10 2.2 4.3×10-4 10-11~10-7 <10-10 10-12~10-10 10-15~10-11 <10-12 <10-15~10-12 <10-14 <10-14 <10-15
<10-16
<10-16
电导率的基本参数
电导率的两个基本参数：载流子密度n(crn-3)和载流子迁移率 μ(crn-2·V-1·s-1)
任何一种物质，只要存在电荷的自由粒子——载流子，就 可以在电场作用下产生导电电流。 载流子可以是电子、空穴，也可以是正、负离子。 金属导体中的载流子是自由电子，高分子材料和无机非金 属材料中的载流子可以是两类载流子同时存在。 载流子为离子或空格点的电导称为离子电导，载流子为电 子或空穴的电导称为电子电导。电子电导和空穴电导同时存 在，称为本征电导。
影响电子电导率的因素之温度
在温度变化不大时。电子电导率与温度关系符合指数式。 一般低温下，杂质离子散射项起主要作用；高温下，声子散射
项起主要作用。载流子迁移率μ受T的影响比起载流子浓度n受 T的影响要小得多，因此电导率对温度的依赖关系主要取决于 浓度项。 载流子浓度与温度关系很大，符合指数式。图中低温阶段为杂 质电导；高温阶段为本征电导；中间出现了饱和区。此时杂质 全部电离解完，载流子浓度变为与温度无关。
第七章 材料的电学性质与磁学性质
7.1 导电性能 7.2 介电性能 7.3 热电效应及光电导 7.4 压电性及铁电性 7.5 物质的磁性 7.6 无机材料的电磁性
7.1 导电性能
电导率和电阻率 材料的结构与导电性 材料的半导电性 材料的超导电性
电导率和电阻率
当在材料两端施加电压U时，材料中就有电流I通过，这种现象 称为导电现象
电阻率的倒数为电导率σ:电导率定义为在单位电位下流过每米材料的电流。
σ=IL/VS
式中
σ——电导率，S.m-1； I——电流，A； L——样品厚度，m； V——电位，V； S——样品面积，m2
根据电阻率或电导率数值大小，将材料分成超导体、良导体、半导体和绝缘体等
超导体的ρ在一定温度下接近于零； 导体的ρ为10-8～10-5Ω·m； 半导体的ρ为10-5～107Ω·m； 绝缘体的ρ为107～1020Ω·m。
一般普通无机非金属材料与大部分高分子材料是绝缘体，部分陶瓷材料 和少数高分子材料是半导体，金属材料是导体。一些陶瓷具有超导性。 半导体、绝缘体、离子导电材料的电导率随温度的升高而增加。 金属的电导率随温度的升高而降低。
各种材料在室温下的电导率
金属和合金 银
铜（工业纯） 金
铝（工业纯） Al-1.2%Mn合金
载流子总电荷量为nqv。 E：电场强度
电导率
σ=J/E= nqv/E
令μ=v／E，并定义其为载流子的迁移率， 其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速 度，于是：
σ=nqμ
电阻率的大小直接取决于单位体积中的载流子数目、 每个载流子的电荷量和每个载流子的迁移率。产生 电流的载流子有四种类型：电子、空穴、正离子、 负离子。载流子的迁移率取决于原子结合的类型、 晶体缺陷、掺杂剂类型和用量及离子在离子化合物 中的扩散速率。
材料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。
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v(m·s-1)。容易看出，单位时间(1s) 通过单位截面的电荷量为：
J=nqv J即为电流密度，显然，J=I／S。速度为v，截面为S的
钠 钨（工业纯） 黄铜（70%Cu-30Zn） 镍（工业纯） 纯铁（工业纯） 钛（工业纯）
TiC 不锈钢，301钢
镍铬合金（80%Ni-20Cr）
σ
6.3×107 5.85×107 4.25×107 3.45×107 2.95×107 2.1×107 1.77×107 1.6×107 1.46×107 1.03×107 0.24×107 0.17×107 0.14×107