第十章_材料的電學(xué)性能

1、第十章第十章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能介電性能介電性能 第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能 第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能 第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng) 第四節(jié)第四節(jié) 介質(zhì)極化與介電性能介質(zhì)極化與介電性能 第五節(jié)第五節(jié) 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗 第六節(jié)第六節(jié) 絕緣材料的抗電強度絕緣材料的抗電強度 一、電阻與導(dǎo)電的基本概念一、電阻與導(dǎo)電的基本概念導(dǎo)電：導(dǎo)電：在材料兩端施加電壓時，有電流流過的現(xiàn)象。在材料兩端施加電壓時，有電流流過的現(xiàn)象。 歐姆定律：歐姆定律：I=V/R電阻電阻R：與材料的與材料的性質(zhì)、尺寸性質(zhì)、尺寸有關(guān)。有關(guān)。SLR電阻率電

2、阻率：表示單位長度和單位面積上導(dǎo)電體的電表示單位長度和單位面積上導(dǎo)電體的電阻值；阻值；只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)無關(guān)；是評定導(dǎo)電性的基本參數(shù)是評定導(dǎo)電性的基本參數(shù)；單位：單位：m。 SRL10.1 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能一、電阻與導(dǎo)電的基本概念一、電阻與導(dǎo)電的基本概念1電阻率愈小，電導(dǎo)率愈大，材料導(dǎo)電性能越好。電阻率愈小，電導(dǎo)率愈大，材料導(dǎo)電性能越好。 絕緣體，絕緣體，1010 m 材料分類材料分類 半導(dǎo)體，半導(dǎo)體，=10-21010 m(根據(jù)導(dǎo)電性好壞根據(jù)導(dǎo)電性好壞) 導(dǎo)體，導(dǎo)體，10-2 m 不同材料的導(dǎo)電能力相差很大，這不同材料的導(dǎo)電能力相差很

3、大，這決定于結(jié)構(gòu)決定于結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)與導(dǎo)電本質(zhì)。電導(dǎo)率電導(dǎo)率： (1)經(jīng)典電子理論經(jīng)典電子理論 金屬晶體中，自由電子定向運動時，要不斷與正金屬晶體中，自由電子定向運動時，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這是產(chǎn)生電阻的原因。離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這是產(chǎn)生電阻的原因。(2)量子自由電子理論量子自由電子理論 金屬中每個原子的內(nèi)層電子保持著單個原子時金屬中每個原子的內(nèi)層電子保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，而所有價電子按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。二、導(dǎo)電機理二、導(dǎo)電機理 能帶理論能很好地解釋能帶理論能很好

4、地解釋金屬、絕緣體、半導(dǎo)金屬、絕緣體、半導(dǎo)體體等的導(dǎo)電性。等的導(dǎo)電性。 金屬中的金屬中的價電子是公有化價電子是公有化和和能量是量子化能量是量子化，且金屬中由且金屬中由離子造成的勢場是呈周期變化的離子造成的勢場是呈周期變化的。 (3)能帶理論能帶理論 電子在周期勢場中運動時，電子在周期勢場中運動時，能量隨位置呈周期變化，能量隨位置呈周期變化，使使得價電子在金屬中以不同能得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂能帶發(fā)生分裂，即即有有某些能態(tài)是電子不某些能態(tài)是電子不能取值的，如能隙能取值的，如能隙AB和和CD。周期勢場中電子運動的周期勢場中電子運動的E-K曲線及能帶曲線及能帶E:

5、自由電子的動能；自由電子的動能；K：波數(shù)頻率，：波數(shù)頻率，K=2/ (3)能帶理論能帶理論 當(dāng)當(dāng)-K1KK1時，時，E-K曲線按拋物線規(guī)律連續(xù)變化。曲線按拋物線規(guī)律連續(xù)變化。 當(dāng)當(dāng)K=K1時，只要時，只要K稍微增大，稍微增大，E便從便從A跳到跳到B，在，在A和和B之之間存在一個能隙間存在一個能隙E1同樣，當(dāng)同樣，當(dāng)K=K2時，能帶也發(fā)生分裂，存在能隙時，能帶也發(fā)生分裂，存在能隙E2。 禁帶：禁帶：能隙的存在意味著禁止電能隙的存在意味著禁止電子具有子具有A和和B與與C和和D之間的能量，之間的能量，能隙所對應(yīng)的能帶。能隙所對應(yīng)的能帶。 允帶：允帶：電子可以具有的能級所組電子可以具有的能級所組成的能

6、帶。成的能帶。 允帶與禁帶相互交替，形成了允帶與禁帶相互交替，形成了材材料的料的能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)。 (3)能帶理論能帶理論 空能級空能級指允帶中未被電子填滿的能級。指允帶中未被電子填滿的能級。 導(dǎo)帶：具有空能級的允帶中的電子是自由的導(dǎo)帶：具有空能級的允帶中的電子是自由的，在外電場作用下參與導(dǎo)電，這樣的允帶稱為在外電場作用下參與導(dǎo)電，這樣的允帶稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶。 滿帶：滿帶：一個允帶所有的能級都被電子填滿的能一個允帶所有的能級都被電子填滿的能帶。帶。 (3)能帶理論能帶理論 導(dǎo)體：導(dǎo)體：允帶內(nèi)的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允允帶內(nèi)的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，圖帶相互重疊，圖a

7、、b、c；在外電場的作用下電子很容易；在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉(zhuǎn)到另一個能級而產(chǎn)生電流；具有這種能帶結(jié)從一個能級轉(zhuǎn)到另一個能級而產(chǎn)生電流；具有這種能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為導(dǎo)體。構(gòu)的材料稱為導(dǎo)體。所有金屬都屬于導(dǎo)體。所有金屬都屬于導(dǎo)體。 絕緣體：絕緣體：一個滿帶上面相鄰的是一個一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶較寬的禁帶，圖，圖d，由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即不能產(chǎn)生電流。不能產(chǎn)生電流。 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

8、與絕緣體相同，但其半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，但其禁帶較窄禁帶較窄，圖圖e；在熱、光輻射等作用下，滿帶中的電子就有能量可能躍；在熱、光輻射等作用下，滿帶中的電子就有能量可能躍遷到空帶中去。這樣，在空帶中出現(xiàn)遷到空帶中去。這樣，在空帶中出現(xiàn)導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子，在滿帶中出現(xiàn)，在滿帶中出現(xiàn)電子空穴電子空穴。 本征導(dǎo)電：空帶中的電子導(dǎo)電和滿帶中的空穴導(dǎo)電同時存在本征導(dǎo)電：空帶中的電子導(dǎo)電和滿帶中的空穴導(dǎo)電同時存在的導(dǎo)電方式。的導(dǎo)電方式。 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：具有本征導(dǎo)電特具有本征導(dǎo)電特性的半導(dǎo)體。性的半導(dǎo)體。 n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：載流子是空帶中載流子是空帶中的電子，的電子， p型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體

9、：載流子是滿帶中載流子是滿帶中的空穴。的空穴。 超導(dǎo)性超導(dǎo)性：一定溫度一定溫度條件下材料條件下材料突然失去電阻突然失去電阻的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 超導(dǎo)態(tài)：超導(dǎo)態(tài)：材料沒有電阻的狀態(tài)。材料沒有電阻的狀態(tài)。 正常態(tài)：正常態(tài)：材料有電阻的狀態(tài)。材料有電阻的狀態(tài)。 由于沒有電阻，超導(dǎo)體是等電位體，其內(nèi)部沒有電場。由于沒有電阻，超導(dǎo)體是等電位體，其內(nèi)部沒有電場。 臨界溫度臨界溫度Tc：材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度。材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度。三、超導(dǎo)電性三、超導(dǎo)電性 完全導(dǎo)電性：完全導(dǎo)電性：將應(yīng)力外磁場突然去掉，通過磁感應(yīng)作將應(yīng)力外磁場突然去掉，通過磁感應(yīng)作用產(chǎn)生用產(chǎn)生永不衰減的感生電流永不衰減的感生電

10、流(永久電流永久電流)。 完全抗磁性：完全抗磁性：超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，內(nèi)部超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，內(nèi)部B始終為零。不始終為零。不僅外加磁場不能進入超導(dǎo)體的內(nèi)部，而且原來處于磁場中僅外加磁場不能進入超導(dǎo)體的內(nèi)部，而且原來處于磁場中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使其變成超導(dǎo)體時，也會把原的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使其變成超導(dǎo)體時，也會把原來在體內(nèi)的磁場完全排出去。超導(dǎo)體具有來在體內(nèi)的磁場完全排出去。超導(dǎo)體具有屏蔽磁場和排除屏蔽磁場和排除磁通磁通的性能。的性能。超導(dǎo)電性的兩個基本特征：超導(dǎo)電性的兩個基本特征： 臨界轉(zhuǎn)變溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc：超導(dǎo)體溫度：超導(dǎo)體溫度D，純金屬純金屬t與與T關(guān)系：關(guān)系： 0(1)tT：電阻溫

11、度系數(shù)；：電阻溫度系數(shù)；0：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)(20)的電阻率；的電阻率；T：環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的溫差。：環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的溫差。 2KTD，T5； T2K，T2； 1、溫度的影響、溫度的影響 (1)冷塑性變形使金屬電阻率增大冷塑性變形使金屬電阻率增大: 冷塑性變形使晶體冷塑性變形使晶體點陣畸變和晶體缺陷點陣畸變和晶體缺陷(尤其是空尤其是空位位)增加增加，造成點陣電場的不均勻，加劇對電磁波的散射；，造成點陣電場的不均勻，加劇對電磁波的散射； 冷塑性變形冷塑性變形改變原子間距改變原子間距； (2)回復(fù)再結(jié)晶可使電阻率顯著恢復(fù)：回復(fù)再結(jié)晶可使電阻率顯著恢復(fù)： 回復(fù)回復(fù)處理可處理可顯著降低點缺陷濃度顯著降低點缺陷

12、濃度，使，使明顯恢復(fù)；明顯恢復(fù)； 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火可可消除形變時的點陣畸變和晶體缺陷消除形變時的點陣畸變和晶體缺陷，使使恢復(fù)到冷變形前的水平?；謴?fù)到冷變形前的水平。2、冷塑性變形和應(yīng)力的影響冷塑性變形和應(yīng)力的影響 (1) 冷塑性變形使金屬電阻率增大冷塑性變形使金屬電阻率增大: (2) 回復(fù)再結(jié)晶可使電阻率顯著恢復(fù)：回復(fù)再結(jié)晶可使電阻率顯著恢復(fù)： (3) 淬火保留了高溫時的點缺陷，使淬火保留了高溫時的點缺陷，使升高。升高。 (4) 拉應(yīng)力使原子間距增大，拉應(yīng)力使原子間距增大，上升；壓應(yīng)力則相反上升；壓應(yīng)力則相反。2、冷塑性變形和應(yīng)力的影響冷塑性變形和應(yīng)力的影響(1) 固溶體導(dǎo)電性固溶體導(dǎo)電性

13、 一般地，盡管一般地，盡管溶質(zhì)溶質(zhì)溶劑溶劑時，時，形成固形成固溶體合金的溶體合金的增高增高： a、溶入溶質(zhì)原子、溶入溶質(zhì)原子引起點陣畸變引起點陣畸變電電阻增大；阻增大； b、組元間化學(xué)相互作用、組元間化學(xué)相互作用有效電子數(shù)有效電子數(shù)減少減少增加。增加。3、合金化對導(dǎo)電性的影響、合金化對導(dǎo)電性的影響 純金屬純金屬的導(dǎo)電性：與其在的導(dǎo)電性：與其在元素周期表元素周期表中的位置有關(guān)中的位置有關(guān)，由其，由其能帶結(jié)構(gòu)決定能帶結(jié)構(gòu)決定。 合金合金的導(dǎo)電性較復(fù)雜：當(dāng)金屬元素形的導(dǎo)電性較復(fù)雜：當(dāng)金屬元素形成合金后，其成合金后，其異類原子引起點陣畸變異類原子引起點陣畸變，組元間相互作用組元間相互作用引起引起有效電

14、子數(shù)、能帶有效電子數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、合金組織結(jié)構(gòu)等的變化結(jié)構(gòu)、合金組織結(jié)構(gòu)等的變化。3、合金化對導(dǎo)電性的影響、合金化對導(dǎo)電性的影響121ssssc 溶質(zhì)濃度較小時，固溶體溶質(zhì)濃度較小時，固溶體s的變化規(guī)律符合的變化規(guī)律符合馬基申定律馬基申定律 ：s1：溶劑電阻率；：溶劑電阻率；s2：溶質(zhì)引起的電阻率；：溶質(zhì)引起的電阻率；s2=c，rc：溶質(zhì)的量比，：溶質(zhì)的量比，：1%溶質(zhì)量比的附加電阻率。溶質(zhì)量比的附加電阻率。 固溶體電阻固溶體電阻由兩部分組成：由兩部分組成： 溶劑電阻溶劑電阻(即純金屬電阻即純金屬電阻)，隨，隨T增大增大； 溶質(zhì)引起的附加電阻，與溶質(zhì)引起的附加電阻，與T無關(guān)，只與溶質(zhì)濃度有關(guān)無關(guān)

15、，只與溶質(zhì)濃度有關(guān)。(1) 固溶體導(dǎo)電性固溶體導(dǎo)電性 固溶體有序化，固溶體有序化，有利于改善離子電場的規(guī)整性，有利于改善離子電場的規(guī)整性， 電子散射，電子散射，電阻電阻 。 不均勻固溶體不均勻固溶體，即溶質(zhì)，即溶質(zhì)原子產(chǎn)生偏聚，電子散射原子產(chǎn)生偏聚，電子散射 ，電阻電阻 。 T不變時，不變時，冷變形使冷變形使s 增大的幅度大于純金屬的情增大的幅度大于純金屬的情況。況。(1) 固溶體導(dǎo)電性固溶體導(dǎo)電性 金屬化合物金屬化合物的導(dǎo)電能力都較差，其的導(dǎo)電能力都較差，其電電導(dǎo)率比各組元的要小得多：導(dǎo)率比各組元的要小得多：組成化合物后，組成化合物后，原子間的原子間的部分金屬鍵部分金屬鍵轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)楣矁r鍵或

16、離子共價鍵或離子鍵鍵，使，使導(dǎo)電電子數(shù)減少導(dǎo)電電子數(shù)減少。 由于由于鍵合性質(zhì)的改變鍵合性質(zhì)的改變，金屬金屬因形成金因形成金屬間化合物而屬間化合物而變成半導(dǎo)體，甚至完全失去變成半導(dǎo)體，甚至完全失去導(dǎo)電性導(dǎo)電性。(2)金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電性 多組相合金的導(dǎo)電性，既與組成相多組相合金的導(dǎo)電性，既與組成相的導(dǎo)電性及相對量有關(guān)，還與組成相的的導(dǎo)電性及相對量有關(guān)，還與組成相的形貌有關(guān)，即與合金的組織形態(tài)有關(guān)。形貌有關(guān)，即與合金的組織形態(tài)有關(guān)。 (3)多相合金的電阻率多相合金的電阻率 是一個組織結(jié)構(gòu)敏感的物理量，是一個組織結(jié)構(gòu)敏感的物理量，多相多相合金合金很難定量計算。很難定量計算。 退火態(tài)的

17、二元合金組織為兩相退火態(tài)的二元合金組織為兩相機械混合機械混合物時，若組成相的物時，若組成相的接近，則接近，則電導(dǎo)率與兩電導(dǎo)率與兩組元的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系組元的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系。 常近似認(rèn)為常近似認(rèn)為多相合金的電阻率為各相電多相合金的電阻率為各相電阻率的加權(quán)平均阻率的加權(quán)平均。(3)多相合金的電阻率多相合金的電阻率 10.1 導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能 固溶體固溶體的電阻率隨成分的電阻率隨成分呈呈曲線曲線增加增加； 兩相混合物兩相混合物的電阻率隨成分呈的電阻率隨成分呈線性線性增加增加(大約是兩相電阻大約是兩相電阻率的加權(quán)平均值率的加權(quán)平均值)； 除有序固溶體外，除有序固溶體外，合金化均使金屬的電阻率增加

18、。合金化均使金屬的電阻率增加。 電阻率是對成分、組織、結(jié)構(gòu)極為敏感的電阻率是對成分、組織、結(jié)構(gòu)極為敏感的物理參量，能靈敏反映材料內(nèi)部的微弱變化。物理參量，能靈敏反映材料內(nèi)部的微弱變化。 電阻分析：通過測量電阻率的變化來研電阻分析：通過測量電阻率的變化來研究金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)變化。究金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)變化。2、電阻分析的應(yīng)用、電阻分析的應(yīng)用 由于很容易對材料的許多物理過程進行由于很容易對材料的許多物理過程進行的跟蹤測的跟蹤測量，電阻分析法在材料科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用，如量，電阻分析法在材料科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用，如研究過飽和固溶體的脫溶和溶質(zhì)元素的回溶、研究過飽和固溶體的脫溶和溶質(zhì)元素的回溶

19、、測定固溶體的溶解度曲線、測定固溶體的溶解度曲線、研究合金的時效、研究合金的時效、研究合金的不均勻固溶體的形成、研究合金的不均勻固溶體的形成、研究合金有序研究合金有序-無序轉(zhuǎn)變無序轉(zhuǎn)變等。等。 總之，凡是轉(zhuǎn)變前后或轉(zhuǎn)變過程中有電阻變化的總之，凡是轉(zhuǎn)變前后或轉(zhuǎn)變過程中有電阻變化的現(xiàn)象，都可利用電阻分析法進行研究?，F(xiàn)象，都可利用電阻分析法進行研究。2、電阻分析的應(yīng)用、電阻分析的應(yīng)用原理：原理： 固溶體固溶體的電阻率隨溶質(zhì)原子的電阻率隨溶質(zhì)原子呈呈曲線曲線增加增加； 兩相混合物兩相混合物的電阻率大約是的電阻率大約是兩相電阻率的加兩相電阻率的加權(quán)平均值；權(quán)平均值； 淬火可以保留高溫時的固溶度。淬火可以

20、保留高溫時的固溶度。 (1)測量固溶體的溶解度曲線測量固溶體的溶解度曲線步驟：步驟：制成一組不同成分的試樣，制成一組不同成分的試樣，在在t1溫度加熱保溫溫度加熱保溫，使組織成分均勻，使組織成分均勻，再淬火再淬火，以保留其在，以保留其在t1時的組織。時的組織。 分別測定上述試樣的電阻，算出分別測定上述試樣的電阻，算出，作出溫度，作出溫度t1下加熱淬火的下加熱淬火的-w曲線，曲線，即電阻率與成分的關(guān)系。即電阻率與成分的關(guān)系。 在在t2、t3等一系列溫度下加熱淬等一系列溫度下加熱淬火，用同樣方法得到相應(yīng)的火，用同樣方法得到相應(yīng)的-w曲線。曲線。 每條曲線都有一個轉(zhuǎn)折點每條曲線都有一個轉(zhuǎn)折點a1，每點

21、對應(yīng)一個成分，每點對應(yīng)一個成分B1, ，將這些點在成分將這些點在成分-溫度圖上連接，就得到溶解度曲線。溫度圖上連接，就得到溶解度曲線。 (1)測量固溶體的溶解度曲線測量固溶體的溶解度曲線 形狀記億合金是一種新型功能材料，其形狀記億合金是一種新型功能材料，其記憶原記憶原理理與與熱彈性熱彈性M可逆轉(zhuǎn)變可逆轉(zhuǎn)變有關(guān)。有關(guān)。 形狀記憶合金的重要參數(shù)：形狀記憶合金的重要參數(shù)： 馬氏體向母相轉(zhuǎn)變的馬氏體向母相轉(zhuǎn)變的As和和Af； 母相向馬氏體轉(zhuǎn)變的母相向馬氏體轉(zhuǎn)變的Ms及及Mf。 根據(jù)根據(jù)母相與馬氏體的電阻不同母相與馬氏體的電阻不同，將形狀記憶合，將形狀記憶合金試樣連續(xù)加熱和冷卻，金試樣連續(xù)加熱和冷卻，測

22、量其測量其R-T曲線，得出轉(zhuǎn)曲線，得出轉(zhuǎn)變溫度變溫度。(2)測定形狀記憶合金中的相變溫度測定形狀記憶合金中的相變溫度 將形狀記憶合金試樣連續(xù)加熱和冷卻，測量其將形狀記憶合金試樣連續(xù)加熱和冷卻，測量其R-T曲線曲線。 從室溫加熱，馬氏體試樣從室溫加熱，馬氏體試樣R基本隨基本隨T線性增大；線性增大； 達到達到As 時馬氏體開始向母相轉(zhuǎn)變，電阻向下偏離直線變化時馬氏體開始向母相轉(zhuǎn)變，電阻向下偏離直線變化， T繼續(xù)繼續(xù)，轉(zhuǎn)變量，轉(zhuǎn)變量，R繼續(xù)繼續(xù)； 完全轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷r完全轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷rR隨隨T線性增加，線性增加，這就是這就是Af 點點。 冷卻時與加熱時相反，冷卻時與加熱時相反，R先隨先隨T線性下降；母相向

23、馬氏體轉(zhuǎn)變時上線性下降；母相向馬氏體轉(zhuǎn)變時上升，轉(zhuǎn)變終了時繼續(xù)下降，由此得升，轉(zhuǎn)變終了時繼續(xù)下降，由此得Ms 及及Mf 點。點。(2)測定形狀記憶合金中的相變溫度測定形狀記憶合金中的相變溫度1、電阻測量方法、電阻測量方法(1)雙電橋法雙電橋法 雙電橋法是雙電橋法是測量小電阻的常用方法，測量測量小電阻的常用方法，測量精度較高精度較高。(2)電位差計法電位差計法 測量小電阻有很高的精度。測量小電阻有很高的精度。(3)安培安培-伏特計法伏特計法 (4)直流四端電極法直流四端電極法 五、導(dǎo)電性的測量及應(yīng)用五、導(dǎo)電性的測量及應(yīng)用10.2 熱電性能熱電性能 金屬與合金的熱電勢是一個金屬與合金的熱電勢是一個

24、組織結(jié)構(gòu)敏感組織結(jié)構(gòu)敏感的的物理量。物理量。通過熱電勢分析，可以研究金屬與合通過熱電勢分析，可以研究金屬與合金的成分及組織變化規(guī)律。金的成分及組織變化規(guī)律。 賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)(熱電第一效應(yīng)熱電第一效應(yīng))金屬的熱電效應(yīng)金屬的熱電效應(yīng) 珀爾貼效應(yīng)珀爾貼效應(yīng)(熱電第二效應(yīng)熱電第二效應(yīng)) 湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)(熱電第三效應(yīng)熱電第三效應(yīng)) 金屬不同，其自由電子的能量狀態(tài)也不同。金屬不同，其自由電子的能量狀態(tài)也不同。 接觸電勢：接觸電勢：某溫度下，當(dāng)金屬某溫度下，當(dāng)金屬A與金屬與金屬B相接觸時，相接觸時，若若A的電子能量高，則電子從的電子能量高，則電子從A流向流向B，使，使A的電子減的電子減少、電位變

25、正，少、電位變正，B的電子增加、電位變負(fù)，從而在的電子增加、電位變負(fù)，從而在A與與B間產(chǎn)生一個靜電勢間產(chǎn)生一個靜電勢VAB。此靜電勢通常稱為接觸電勢。此靜電勢通常稱為接觸電勢。1、珀爾帖效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)ItPQABp帕爾帖效應(yīng)：帕爾帖效應(yīng)：由于接觸電勢的存在，若沿由于接觸電勢的存在，若沿AB方向通電方向通電流，則接觸點處要吸收熱量；若反向通電，則接觸點流，則接觸點處要吸收熱量；若反向通電，則接觸點放熱；這種現(xiàn)象稱為珀爾貼效應(yīng)。放熱；這種現(xiàn)象稱為珀爾貼效應(yīng)。 帕爾帖熱：帕爾帖熱：吸收或放出的熱量吸收或放出的熱量Qp。PAB為帕爾帖系數(shù)或帕爾帖電勢，與金屬的本性和溫度有關(guān)。為帕爾帖系數(shù)或帕爾帖電勢

26、，與金屬的本性和溫度有關(guān)。Qp可由實驗測定。可由實驗測定。1、珀爾帖效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)沿沿AB方向通電流，則接觸點處要吸收熱量，這是由于：方向通電流，則接觸點處要吸收熱量，這是由于：接觸點處，電子從接觸點處，電子從A流向流向B；沿沿AB通電，則電子從通電，則電子從B流向流向A； 接觸點處由接觸點處由A流向流向B的電子受阻，電子減速；的電子受阻，電子減速；減速的電子又與金屬原子碰撞，從金屬原子取得動能，減速的電子又與金屬原子碰撞，從金屬原子取得動能，從而使該處溫度降低，需從外界吸收熱量。從而使該處溫度降低，需從外界吸收熱量。TSItQT 湯姆遜效應(yīng)：湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端溫度不同當(dāng)一根金屬

27、導(dǎo)線兩端溫度不同時，若通以電流，則在導(dǎo)線中除產(chǎn)生焦耳熱外，時，若通以電流，則在導(dǎo)線中除產(chǎn)生焦耳熱外，還要產(chǎn)生額外的吸放熱現(xiàn)象。還要產(chǎn)生額外的吸放熱現(xiàn)象。 電流方向與導(dǎo)線中熱流方向一致時產(chǎn)生電流方向與導(dǎo)線中熱流方向一致時產(chǎn)生放熱效應(yīng)放熱效應(yīng)，反之則產(chǎn)生反之則產(chǎn)生吸熱效應(yīng)吸熱效應(yīng)。 吸收或放出的熱量稱為吸收或放出的熱量稱為湯姆遜熱湯姆遜熱QT，可由實驗測定。，可由實驗測定。S為湯姆遜系數(shù)，為湯姆遜系數(shù)，I為電流，為電流，t為通電時間，為通電時間，T為導(dǎo)線兩端溫差。為導(dǎo)線兩端溫差。2、湯姆遜效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng) 當(dāng)當(dāng)兩種不同兩種不同的金屬或合金的金屬或合金A、B聯(lián)成閉聯(lián)成閉合回路，且合回路，且兩接點處溫

28、度不同，則回路中兩接點處溫度不同，則回路中將產(chǎn)生電流將產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。3、 賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng) 賽貝克效應(yīng)的實質(zhì)在于接觸電勢的產(chǎn)生賽貝克效應(yīng)的實質(zhì)在于接觸電勢的產(chǎn)生：兩種：兩種金屬接觸時會產(chǎn)生金屬接觸時會產(chǎn)生接觸電勢接觸電勢VAB，其電勢差大小取，其電勢差大小取決于金屬的電子逸出功決于金屬的電子逸出功V和電子濃度和電子濃度N。T1T2()lnAABBABNkTVVVeN3、 賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)熱電勢熱電勢：當(dāng)此兩金屬頭尾相接時，若兩接觸點溫當(dāng)此兩金屬頭尾相接時，若兩接觸點溫度不同，則兩接觸點的接觸電位也不同，從而在度不同，則兩接觸點的接觸電位也不同，從而在回路中產(chǎn)生熱電勢回路中產(chǎn)生

29、熱電勢AB：T1T2121212( ) ()ln()ln =lnABABABAABABABBABVTVTkTNkTNVVVVeNeNNkTTeN3、 賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng) 熱電勢方向熱電勢方向：規(guī)定規(guī)定在熱端，若電流由在熱端，若電流由A流向流向B，則，則B正正A負(fù)。負(fù)。 T1T23、 賽貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)12=lnAABBNkTTeN1、溫度的測量、溫度的測量 由賽貝克效應(yīng)，由賽貝克效應(yīng)，熱電勢與兩接點的溫差成正比熱電勢與兩接點的溫差成正比。如果保持冷端溫度如果保持冷端溫度T2不變，則熱電勢與熱端溫度不變，則熱電勢與熱端溫度T1成正比。實際上，熱電勢還受其他因素影響，成正比。實際上，熱電勢還受

30、其他因素影響，常用經(jīng)驗公式為常用經(jīng)驗公式為12=lnAABBNkTTeNT為熱端的溫度為熱端的溫度(冷端為冷端為0)，a、b、c為材料參數(shù)。為材料參數(shù)。 23=aTbTcT二、熱電效應(yīng)的應(yīng)用二、熱電效應(yīng)的應(yīng)用12=lnAABBNkTTeN中間金屬定律：中間金屬定律：如果在兩根不同的金屬絲如果在兩根不同的金屬絲之間串聯(lián)另一種金屬，之間串聯(lián)另一種金屬，只要串聯(lián)金屬兩端只要串聯(lián)金屬兩端的溫度相同的溫度相同，則，則回路中產(chǎn)生的總熱電勢只回路中產(chǎn)生的總熱電勢只與原有的兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)與原有的兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，而與串聯(lián)，而與串聯(lián)入的中間金屬無關(guān)。入的中間金屬無關(guān)。1、溫度的測量、溫度的測量 利用利用賽

31、貝克效應(yīng)賽貝克效應(yīng)和和中間金屬定律中間金屬定律，可制成，可制成熱電熱電偶來測量溫度。偶來測量溫度。 熱電偶工作原理：熱電偶工作原理：將兩種不同金屬的一端焊在將兩種不同金屬的一端焊在一起，作為熱端，放入待測溫度的環(huán)境中；而將一起，作為熱端，放入待測溫度的環(huán)境中；而將另一端分開，并保持恒溫另一端分開，并保持恒溫(通常為室溫通常為室溫)，并分別串，并分別串接補償導(dǎo)線接補償導(dǎo)線(第三金屬或中間金屬第三金屬或中間金屬)，再接入電位差，再接入電位差計，測量熱電勢，反過來計算計，測量熱電勢，反過來計算(查表查表)熱端溫度。熱端溫度。1、溫度的測量、溫度的測量熱電偶熱電偶中間金屬定律：中間金屬定律：均質(zhì)導(dǎo)體定

32、律：均質(zhì)導(dǎo)體定律：熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產(chǎn)生附加熱電勢。度梯存在，將會產(chǎn)生附加熱電勢。中間溫度定律：中間溫度定律：熱電偶回路兩接點熱電偶回路兩接點(溫度為溫度為T、T0)間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電時的熱電勢與在溫度為勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。時的熱電勢的代數(shù)和。Tn稱中稱中間溫度。間溫度。熱電偶基本定律熱電偶基本定律 熱電偶種類很多，已研制的組合約熱電偶種類很多，已研制的組合約300種，標(biāo)種，標(biāo)準(zhǔn)化

33、的準(zhǔn)化的15種，廣泛應(yīng)用的有種，廣泛應(yīng)用的有8種，最常見：種，最常見：鉑銠鉑銠-鉑鉑(1700)、鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅(靈敏度高、電勢與溫度成正比靈敏度高、電勢與溫度成正比)、銅銅-康銅康銅(15K室溫范圍內(nèi)有高的靈敏度室溫范圍內(nèi)有高的靈敏度)、金鈷合金金鈷合金-銅銅(低于低于4K)、金鐵合金金鐵合金-鎳鉻等鎳鉻等 (低于低于4K)。1、溫度的測量、溫度的測量 利用熱電材料制備的利用熱電材料制備的“熱熱-電電”轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換裝置，通過材料內(nèi)部的載流子運輸，實現(xiàn)通過材料內(nèi)部的載流子運輸，實現(xiàn)“熱能熱能”和和“電能電能”的直接相互轉(zhuǎn)換，可用于的直接相互轉(zhuǎn)換，可用于溫差發(fā)溫差發(fā)電電(賽貝克效應(yīng)賽貝克效

34、應(yīng))及電制冷及電制冷(珀爾貼效應(yīng)珀爾貼效應(yīng))。2、熱、熱-電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換1、金屬本性：、金屬本性：電子逸出功、自由電子密度電子逸出功、自由電子密度 2、溫度、溫度 3、合金化：、合金化：固溶體固溶體(懸鏈?zhǔn)綉益準(zhǔn)?、金屬化合物、金屬化合物(突變或顯著增加突變或顯著增加)、多相合金多相合金(加權(quán)平均加權(quán)平均) 4、鋼中含碳量及其組織狀態(tài)、鋼中含碳量及其組織狀態(tài) 純鐵與鋼組成熱電偶時，其熱電勢純鐵與鋼組成熱電偶時，其熱電勢鐵為正、鋼為負(fù)鐵為正、鋼為負(fù)； 鋼中的鋼中的含碳量越高熱電勢越負(fù)含碳量越高熱電勢越負(fù)，鐵與鋼組成的熱電偶的熱，鐵與鋼組成的熱電偶的熱電勢就越大。電勢就越大。 含碳量相同時，含碳量相

35、同時，淬火態(tài)比退火態(tài)的熱電勢要高淬火態(tài)比退火態(tài)的熱電勢要高。 三、影響熱電勢的因素三、影響熱電勢的因素12=lnAABBNkTTeN()lnAABBABNkTVVVeN 材料的熱電勢除可作為測溫用的熱電偶外，還材料的熱電勢除可作為測溫用的熱電偶外，還可用以材料科學(xué)研究。可用以材料科學(xué)研究。 馬氏體的回火轉(zhuǎn)變馬氏體的回火轉(zhuǎn)變(P194)、 合金的時效、合金的時效、 加工硬化奧氏體的轉(zhuǎn)變、加工硬化奧氏體的轉(zhuǎn)變、 不同牌號鋼材的鑒別不同牌號鋼材的鑒別 等。等。四、熱電勢的測量與應(yīng)用四、熱電勢的測量與應(yīng)用 10.3 半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng) 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)(圖圖e

36、)與絕緣體的與絕緣體的(圖圖d)相同，但其相同，但其禁帶較窄禁帶較窄(約約1 eV) ； 半導(dǎo)體在外界作用下如半導(dǎo)體在外界作用下如熱、光輻射等熱、光輻射等，滿帶中的電，滿帶中的電子就有能量，可能躍遷到空帶中去。這樣，在子就有能量，可能躍遷到空帶中去。這樣，在空帶中出空帶中出現(xiàn)電子導(dǎo)電，在滿帶中出現(xiàn)空穴導(dǎo)電現(xiàn)電子導(dǎo)電，在滿帶中出現(xiàn)空穴導(dǎo)電。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性受環(huán)境影響很大半導(dǎo)體的導(dǎo)電性受環(huán)境影響很大，產(chǎn)生了一些半，產(chǎn)生了一些半導(dǎo)體敏感效應(yīng)：導(dǎo)體敏感效應(yīng)：熱敏效應(yīng)、熱敏效應(yīng)、光敏效應(yīng)、光敏效應(yīng)、壓敏效應(yīng)、壓敏效應(yīng)、磁敏效應(yīng)、磁敏效應(yīng)、氣敏效應(yīng)、氣敏效應(yīng)、光磁效應(yīng)、光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、熱電效

37、應(yīng)等熱電效應(yīng)等 半導(dǎo)體的導(dǎo)電，主要由電子和空穴產(chǎn)生的。半導(dǎo)體的導(dǎo)電，主要由電子和空穴產(chǎn)生的。T，自由電子數(shù)和空穴數(shù)，自由電子數(shù)和空穴數(shù)，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率、電阻率、電阻率。 B為材料的電導(dǎo)活化能，與材料有關(guān)。某些材料的為材料的電導(dǎo)活化能，與材料有關(guān)。某些材料的B值值很大，在感受微弱溫度變化時的電阻率變化十分明顯很大，在感受微弱溫度變化時的電阻率變化十分明顯。 具有熱敏特性的半導(dǎo)體可制成各種熱敏溫度計、電具有熱敏特性的半導(dǎo)體可制成各種熱敏溫度計、電路溫度補償器、無觸點開關(guān)、熱敏電阻等。路溫度補償器、無觸點開關(guān)、熱敏電阻等。0BTe一、熱敏效應(yīng)一、熱敏效應(yīng) 光電導(dǎo)：光的照射光電導(dǎo)：光的照射使某些半導(dǎo)體

38、的電阻率使某些半導(dǎo)體的電阻率 的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 機理：機理：具有一定能量的光子照射到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)具有一定能量的光子照射到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體體接收光子能量，受到激發(fā)接收光子能量，受到激發(fā)，半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量的產(chǎn)生大量的自由電子和空穴自由電子和空穴，促使電阻率急劇下降。，促使電阻率急劇下降。 條件：光子的能量必須大于半導(dǎo)體禁帶寬度條件：光子的能量必須大于半導(dǎo)體禁帶寬度。 用途：用途：光敏電阻器，廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)，光敏電阻器，廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)，如如光敏電阻可實現(xiàn)照明自動化等光敏電阻可實現(xiàn)照明自動化等。二、光敏效應(yīng)二、光敏效應(yīng) 1、電壓敏感效應(yīng)、電壓敏感效應(yīng) 某些半導(dǎo)體

39、材料對電壓的變化很敏感，如某些半導(dǎo)體材料對電壓的變化很敏感，如半導(dǎo)體半導(dǎo)體氧化鋅陶瓷氧化鋅陶瓷，通過它的電流和電壓不是線性關(guān)系，即，通過它的電流和電壓不是線性關(guān)系，即電阻隨電壓改變電阻隨電壓改變。用具有壓敏特征的材料可制成。用具有壓敏特征的材料可制成壓敏壓敏電阻電阻，可用于過電壓吸收、高壓穩(wěn)壓、避雷器等。，可用于過電壓吸收、高壓穩(wěn)壓、避雷器等。2、 壓力敏感效應(yīng)壓力敏感效應(yīng) 由于壓力作用使電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象由于壓力作用使電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。 三、壓敏效應(yīng)三、壓敏效應(yīng)(電壓敏感效應(yīng)電壓敏感效應(yīng)和和壓力敏感效應(yīng)壓力敏感效應(yīng))1、霍爾效應(yīng)、霍爾效應(yīng) 將通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場中，設(shè)電場沿將通

40、有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場中，設(shè)電場沿x方方向，電場強度向，電場強度Ex；磁場與電場垂直，沿；磁場與電場垂直，沿z方向，磁場感方向，磁場感應(yīng)強度為應(yīng)強度為Bz，則在電場和磁場平面的法線方向，則在電場和磁場平面的法線方向y將產(chǎn)生將產(chǎn)生一個橫向電場一個橫向電場Ey，這個現(xiàn)象稱為，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)?；魻栯妶??；魻栯妶鯡y與電流密度與電流密度Jx和和Bz成正比。成正比。yHxzER J B 根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件在測量技術(shù)、自動化技術(shù)根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾器件在測量技術(shù)、自動化技術(shù)及信息處理等方面得到廣泛應(yīng)用。及信息處理等方面得到廣泛應(yīng)用。 四、磁敏效應(yīng)（四、磁敏效應(yīng)（霍爾效應(yīng)和磁阻效

41、應(yīng)霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)） 半導(dǎo)體中，在垂直于電流的方向施加磁場，半導(dǎo)體中，在垂直于電流的方向施加磁場，使電流密度降低，即使電流密度降低，即由于磁場的存在使半導(dǎo)由于磁場的存在使半導(dǎo)體的電阻增大的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。體的電阻增大的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 通常用電阻率的相對變化來表示磁阻。通常用電阻率的相對變化來表示磁阻。2、磁阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)10.4 介質(zhì)極化與介電性能介質(zhì)極化與介電性能一、極化的基本概念一、極化的基本概念 二、極化的基本形式二、極化的基本形式三、介電常數(shù)三、介電常數(shù) 極化現(xiàn)象：極化現(xiàn)象：在在真空平行板電容器真空平行板電容器的電極板間的電極板間嵌入嵌入介質(zhì)介質(zhì)并在電極之間并在電極之間加以外

42、電場加以外電場時，則會在時，則會在介質(zhì)表面介質(zhì)表面感應(yīng)出電荷感應(yīng)出電荷，即，即正極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電正極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷荷，負(fù)極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。這種。這種感感應(yīng)電荷不會跑到對面極板上形成電流應(yīng)電荷不會跑到對面極板上形成電流，因此稱它們，因此稱它們?yōu)闉槭`電荷束縛電荷。電介質(zhì)極化示意圖電介質(zhì)極化示意圖一、極化的基本概念一、極化的基本概念 介質(zhì)的極化：介質(zhì)的極化：介質(zhì)介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。這類材料稱為這類材料稱為電介質(zhì)，電介質(zhì)，可分為可分為極性介質(zhì)極性介質(zhì)和和非極性介質(zhì)非極性介質(zhì)。電介

43、質(zhì)極化示意圖電介質(zhì)極化示意圖一、極化的基本概念一、極化的基本概念 沒有電場時，其正負(fù)電荷中心重合，對外不顯示極性。沒有電場時，其正負(fù)電荷中心重合，對外不顯示極性。 電偶極子：電偶極子：當(dāng)外電場作用時，粒子的正電荷沿著電場方當(dāng)外電場作用時，粒子的正電荷沿著電場方向移動，負(fù)電荷逆著電場方向移動，形成電偶極子。正向移動，負(fù)電荷逆著電場方向移動，形成電偶極子。正電荷和負(fù)電荷的電量大小相等。電荷和負(fù)電荷的電量大小相等。電偶極矩：電偶極矩：正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為u，則此偶極，則此偶極子的電偶極矩子的電偶極矩=qu，并規(guī)定其方向從負(fù)電荷指向正電荷。，并規(guī)定其方向從負(fù)電荷指向正電

44、荷。外電場越強，電偶極矩越大外電場越強，電偶極矩越大。電介質(zhì)極化示意圖電介質(zhì)極化示意圖電偶極子電偶極子1、非極性介質(zhì)、非極性介質(zhì) 沒有電場時，沒有電場時，由于分子的熱運動，電偶極矩的排列是由于分子的熱運動，電偶極矩的排列是無序的，整個介質(zhì)呈電中性，無序的，整個介質(zhì)呈電中性，對外也不顯示極性對外也不顯示極性。 施加外電場時施加外電場時，電偶極矩有，電偶極矩有轉(zhuǎn)向外電場方向轉(zhuǎn)向外電場方向的趨勢。的趨勢。 外電場越強，外電場越強，分子偶極子的排列越整齊，電介質(zhì)表面的分子偶極子的排列越整齊，電介質(zhì)表面的束縛電荷也越多，束縛電荷也越多，電極化的程度越高。電極化的程度越高。極性和非極性介質(zhì)在外電場取消后，

45、束縛極性和非極性介質(zhì)在外電場取消后，束縛電荷隨之消失電荷隨之消失。2、極性介質(zhì)：每個分子存在固有電偶極矩、極性介質(zhì)：每個分子存在固有電偶極矩 (1) 極化率極化率 單位電場強度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小。單位電場強度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小。 =/ElocEloc為作用在粒子上的局部電場。為作用在粒子上的局部電場。表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)，單位表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)，單位Fm2。 (2)極化強度矢量極化強度矢量P 電介質(zhì)在電場作用下的極化程度。電介質(zhì)在電場作用下的極化程度。 P表征單位體積中介質(zhì)的感生電偶極矩表征單位體積中介質(zhì)的感生電偶極矩，簡稱電矩。，簡稱

46、電矩。介質(zhì)極化的主要性能指標(biāo)：介質(zhì)極化的主要性能指標(biāo)： 介質(zhì)的極化由介質(zhì)的極化由電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化組成的。組成的。 極化的基本形式：極化的基本形式： 位移式極化：位移式極化：彈性的彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量，、瞬時完成的極化，不消耗能量，是一種是一種自發(fā)過程自發(fā)過程，有電子位移極化和離子位移極化。有電子位移極化和離子位移極化。 松弛極化松弛極化：與粒子的熱運動有關(guān)與粒子的熱運動有關(guān)，屬于，屬于非彈性極化，非彈性極化，需需要一定的時間，要消耗能量，是要一定的時間，要消耗能量，是不可逆過程不可逆過程，有電子松弛極，有電子松弛極化和離子松弛極

47、化?；碗x子松弛極化。 偶極子轉(zhuǎn)向極化：偶極子轉(zhuǎn)向極化：在極性分子介質(zhì)中，是一個可逆過程。在極性分子介質(zhì)中，是一個可逆過程。二、極化的基本形式二、極化的基本形式 介電常數(shù)介電常數(shù)：表示電容器：表示電容器(兩極板間兩極板間)在在有電介有電介質(zhì)時的電容質(zhì)時的電容與在真空狀態(tài)與在真空狀態(tài)(無電介質(zhì)無電介質(zhì))時的電容時的電容相相比較時的增長倍數(shù)。比較時的增長倍數(shù)。 是是綜合反映電介質(zhì)極化行為綜合反映電介質(zhì)極化行為的一個主要宏觀的一個主要宏觀物理量。物理量。三、介電常數(shù)三、介電常數(shù) 松弛極化：松弛極化：T、； 位移極化和轉(zhuǎn)向極化：位移極化和轉(zhuǎn)向極化：T、。 頻率頻率 電場強度電場強度四、影響介電常數(shù)的因

48、素四、影響介電常數(shù)的因素 10.5 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗 任何電介質(zhì)在電場作用下，總是或多任何電介質(zhì)在電場作用下，總是或多或少地把或少地把部分電能轉(zhuǎn)成熱能使介質(zhì)發(fā)熱部分電能轉(zhuǎn)成熱能使介質(zhì)發(fā)熱。 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場作用下，在：電介質(zhì)在電場作用下，在單位時間內(nèi)單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的耗損功率，簡稱介質(zhì)損耗。介質(zhì)的耗損功率，簡稱介質(zhì)損耗。10.5 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗 介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場中電介質(zhì)的重介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。要品質(zhì)指標(biāo)之一。電介質(zhì)電介質(zhì)在電工或電子工業(yè)上在電工或電子工業(yè)上的的重

49、要職能是重要職能是直流絕緣直流絕緣和和貯存能量貯存能量，所以，所以介質(zhì)介質(zhì)損耗損耗不但消耗了能量，而且由于溫度上升可能不但消耗了能量，而且由于溫度上升可能影響元器件的正常工作。影響元器件的正常工作。 介質(zhì)損耗越小越好介質(zhì)損耗越小越好。10.5 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗 介質(zhì)的損耗形式：介質(zhì)的損耗形式：電導(dǎo)電導(dǎo)(漏導(dǎo)漏導(dǎo))損耗、極化損耗、損耗、極化損耗、電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗、宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗。電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗、宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗。 影響材料介電損耗的因素：影響材料介電損耗的因素： 材料結(jié)構(gòu)本身的影響：電導(dǎo)損耗、極化損耗材料結(jié)構(gòu)本身的影響：電導(dǎo)損耗、極化損耗 外界環(huán)境或試驗條

50、件的影響：外界環(huán)境或試驗條件的影響：頻率和溫度頻率和溫度10.6 絕緣材料的抗電強度絕緣材料的抗電強度一、強電場作用下絕緣材料的破壞一、強電場作用下絕緣材料的破壞 電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)的擊穿：在強電場中工作的絕緣材料，在強電場中工作的絕緣材料，當(dāng)所受的電壓超過一臨界值當(dāng)所受的電壓超過一臨界值V穿穿時便喪失了絕緣性時便喪失了絕緣性能而擊穿能而擊穿(永久破壞永久破壞)的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。V穿穿稱為擊穿電壓。稱為擊穿電壓。 抗電強度抗電強度(或介電強度或介電強度)：材料所能承受的材料所能承受的最大電最大電場強度場強度，其數(shù)值等于相應(yīng)的，其數(shù)值等于相應(yīng)的擊穿場強擊穿場強E穿穿。 E穿穿=V穿穿/d d為擊穿

51、處試樣的厚度。為擊穿處試樣的厚度。10.6 絕緣材料的抗電強度絕緣材料的抗電強度 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿同時伴隨著材料的同時伴隨著材料的永久永久破壞，破壞，是是不可逆過程不可逆過程； 而而氣體及液體介質(zhì)被擊穿氣體及液體介質(zhì)被擊穿后，隨著外電后，隨著外電場的撤消仍然能恢復(fù)材料性能，是場的撤消仍然能恢復(fù)材料性能，是可逆過程可逆過程。10.6 絕緣材料的抗電強度絕緣材料的抗電強度 V穿穿既與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與一系既與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與一系列的外界因素有關(guān)，如試樣形狀、溫度、壓列的外界因素有關(guān)，如試樣形狀、溫度、壓力等。力等。故故 E穿穿不僅表示材料的優(yōu)劣，同時反不僅表示材料的優(yōu)劣，

52、同時反映材料進行擊穿試驗的條件。映材料進行擊穿試驗的條件。 電介質(zhì)的擊穿形式有電介質(zhì)的擊穿形式有 電擊穿、電擊穿、 熱擊穿、熱擊穿、 化學(xué)擊穿化學(xué)擊穿二、擊穿形式二、擊穿形式 電擊穿是一個電擊穿是一個“電過程電過程”，只有電子參與。，只有電子參與。 強電場強電場作用下，處于熱運動的作用下，處于熱運動的少數(shù)少數(shù)“自由自由電子電子”將沿反電場方向定向運動，不斷將沿反電場方向定向運動，不斷撞擊撞擊介質(zhì)內(nèi)的離子介質(zhì)內(nèi)的離子，并將，并將部分能量傳給離子部分能量傳給離子。 外電場強度足夠高外電場強度足夠高時，時，自由電子自由電子定向運動定向運動的速度超過一臨界值，可的速度超過一臨界值，可使介質(zhì)內(nèi)的離子電使

53、介質(zhì)內(nèi)的離子電離出一些新的電子即次級電子離出一些新的電子即次級電子。1、電擊穿、電擊穿“雪崩電擊雪崩電擊”理論理論 自由電子和次級電子又有了一定的速度，自由電子和次級電子又有了一定的速度，又又撞擊出第三級電子撞擊出第三級電子。這樣。這樣連鎖反應(yīng)連鎖反應(yīng)，造成，造成大量自由電子形成大量自由電子形成“電子潮電子潮”，這個現(xiàn)象叫這個現(xiàn)象叫“雪崩雪崩”。 “雪崩雪崩”使貫穿介質(zhì)的電流迅速增長，導(dǎo)使貫穿介質(zhì)的電流迅速增長，導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿致介質(zhì)的擊穿，往往是瞬息完成的。，往往是瞬息完成的。1、電擊穿、電擊穿“雪崩電擊雪崩電擊”理論理論E穿穿較高，且一定溫度范圍內(nèi)較高，且一定溫度范圍內(nèi)E穿穿變化不大。變化不大。電擊穿電擊穿能帶理論能帶理論 E增大，電子