材料科學(xué)基礎(chǔ)6

1、第六章 材料的電學(xué)性質(zhì)與磁學(xué)性質(zhì)6.1 導(dǎo)電性能6.2 介電性能6.3 熱電效應(yīng)及光電導(dǎo)6.4 壓電性及鐵電性6.5 物質(zhì)的磁性6.6 無機(jī)材料的電磁性16.1 導(dǎo)電性能電導(dǎo)率和電阻率 材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性材料的半導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性2電導(dǎo)率和電阻率當(dāng)在材料兩端施加電壓U時，材料中就有電流I通過，這種現(xiàn)象稱為導(dǎo)電現(xiàn)象 I=U/R材料導(dǎo)電性的量度為電阻率或電導(dǎo)率電阻R與導(dǎo)體的長度L成正比，與導(dǎo)體的截面積S成反比 式中為電阻率，單位m 3電阻由體積電阻Rv及表面電阻Rs兩部分組成 由于表面電阻與樣品表面環(huán)境有關(guān)，因而只有體積電阻反映材料的導(dǎo)電能力。通常主要研究材料的體積電阻。 電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率:

2、電導(dǎo)率定義為在單位電位下流過每米材料的電流。 =IL/VS 式中 電導(dǎo)率，S.m-1； I電流，A； L樣品厚度，m； V電位，V； S樣品面積，m2 4根據(jù)電阻率或電導(dǎo)率數(shù)值大小，將材料分成超導(dǎo)體、良導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等超導(dǎo)體的在一定溫度下接近于零；導(dǎo)體的為10-810-5m；半導(dǎo)體的為10-5107m；絕緣體的為1071020m。 一般普通無機(jī)非金屬材料與大部分高分子材料是絕緣體，部分陶瓷材料和少數(shù)高分子材料是半導(dǎo)體，金屬材料是導(dǎo)體。一些陶瓷具有超導(dǎo)性。半導(dǎo)體、絕緣體、離子導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加。金屬的電導(dǎo)率隨溫度的升高而降低。 5各種材料在室溫下的電導(dǎo)率 6電導(dǎo)率的基本參數(shù)

3、 電導(dǎo)率的兩個基本參數(shù)：載流子密度n(crn-3)和載流子遷移率(crn-2V-1s-1) 任何一種物質(zhì)，只要存在電荷的自由粒子載流子，就可以在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。載流子可以是電子、空穴，也可以是正、負(fù)離子。金屬導(dǎo)體中的載流子是自由電子，高分子材料和無機(jī)非金屬材料中的載流子可以是兩類載流子同時存在。載流子為離子或空格點的電導(dǎo)稱為離子電導(dǎo)，載流子為電子或空穴的電導(dǎo)稱為電子電導(dǎo)。電子電導(dǎo)和空穴電導(dǎo)同時存在，稱為本征電導(dǎo)。7材料的導(dǎo)電現(xiàn)象其微觀本質(zhì)是載流子在電場作用下的定向遷移。 如果介質(zhì)處在外電場中，則作用于每一個載流子的力等于qE。在這個力的作用下，每一載流子在E方向發(fā)生漂移，其平均速度為v

4、(ms-1)。容易看出，單位時間(1s)通過單位截面的電荷量為： J=nqv J即為電流密度，顯然，J=IS。速度為v，截面為S的載流子總電荷量為nqv。 E：電場強(qiáng)度8電導(dǎo)率 令=vE，并定義其為載流子的遷移率，其物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度，于是： =J/E= nqv/E =nq9電阻率的大小直接取決于單位體積中的載流子數(shù)目、每個載流子的電荷量和每個載流子的遷移率。產(chǎn)生電流的載流子有四種類型：電子、空穴、正離子、負(fù)離子。載流子的遷移率取決于原子結(jié)合的類型、晶體缺陷、摻雜劑類型和用量及離子在離子化合物中的擴(kuò)散速率。 10影響無機(jī)非金屬材料電導(dǎo)率的因素 1) 影響離子電導(dǎo)率的因素2)

5、 影響電子電導(dǎo)率的因素 11影響離子電導(dǎo)率的因素之溫度隨著溫度的升高，離子電導(dǎo)按指數(shù)規(guī)律增加。 在低溫下(曲線1)雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位。這是由于雜質(zhì)活化能比基本點陣離子的活化能小許多的緣故。在高溫下(曲線2)，本征電導(dǎo)起主要作用。因為熱運動能量的增高，使本征電導(dǎo)的載流子數(shù)顯著增多，這兩種不同的導(dǎo)電機(jī)制，使曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點A。但是溫度曲線中的轉(zhuǎn)折點并不一定都是由兩種不同的離子導(dǎo)電機(jī)制引起的。剛玉瓷在低溫下發(fā)生雜質(zhì)離子電導(dǎo)，高溫下則發(fā)生電子電導(dǎo)。 12離子電導(dǎo)率隨活化能按指數(shù)規(guī)律變化，而活化能反映離子的固定程度，它與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。那些熔點高的晶體，晶體結(jié)合力大，相應(yīng)活化能也高，電導(dǎo)率就低。離子電荷的

6、高低對活化能也有影響。一價正離子尺寸小，電荷少，活化能小，遷移率較高；高價正離子價鍵強(qiáng)，從而活化能大，故遷移率較低。 結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體，由于可供移動的間隙小，則間隙離子遷移困難，即其活化能高，因而可獲得較低的電導(dǎo)率。 影響離子電導(dǎo)率的因素之晶體結(jié)構(gòu) 13影響離子電導(dǎo)率的因素之晶格缺陷 具有離子電導(dǎo)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。實際上，只有離子晶體才能成為固體電解質(zhì)。共價鍵晶體和分子晶體都不能成為固體電解質(zhì)。但是并非所有的離子晶體都能成為固體電解質(zhì)。離子晶體要具有離子電導(dǎo)的特性，必須具備以下兩個條件：電子載流子的濃度??；離子晶格缺陷濃度大并參與電導(dǎo)。離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導(dǎo)的

7、關(guān)鍵。 14影響電子電導(dǎo)率的因素之溫度 在溫度變化不大時。電子電導(dǎo)率與溫度關(guān)系符合指數(shù)式。 一般低溫下，雜質(zhì)離子散射項起主要作用；高溫下，聲子散射項起主要作用。載流子遷移率受T的影響比起載流子濃度n受T的影響要小得多，因此電導(dǎo)率對溫度的依賴關(guān)系主要取決于濃度項。 載流子濃度與溫度關(guān)系很大，符合指數(shù)式。圖中低溫階段為雜質(zhì)電導(dǎo)；高溫階段為本征電導(dǎo)；中間出現(xiàn)了飽和區(qū)。此時雜質(zhì)全部電離解完，載流子濃度變?yōu)榕c溫度無關(guān)。晶格振動隨溫度上升急劇增加，電子受到散射影響加劇。15影響電子電導(dǎo)率的因素之雜質(zhì)及缺陷的影響 雜質(zhì)對半導(dǎo)體性能的影響是由于雜質(zhì)離子(原子)引起的新局部能級。研究得比較多的價控半導(dǎo)體就是通過

8、雜質(zhì)的引入，導(dǎo)致主要成分中離子電價的變化，從而出現(xiàn)新的局部能級。對于價控半導(dǎo)體，可以通過改變雜質(zhì)的組成，獲得不同的電性能但必須注意雜質(zhì)離子應(yīng)具有和被取代離子幾乎相同的尺寸，而且雜質(zhì)離子本身有固定的價數(shù)，具有高的離子化勢能。非化學(xué)計量配比的化合物中，由于晶體化學(xué)組成的偏離，形成離子空位或間隙離子等晶格缺陷稱為組分缺陷。這些晶格缺陷的種類、濃度將給材料的電導(dǎo)帶來很大的影響。16單個自由原子的電子占據(jù)了原子軌道，形成一個分立的能級結(jié)構(gòu)。如果幾個原子集合成分子，他們的原子軌道發(fā)生類似于耦合振蕩的分離。這會產(chǎn)生與原子數(shù)量成比例的分子軌道。當(dāng)大量的原子集合成固體時，軌道數(shù)量急劇增多，軌道相互間的能量的差別

9、變的非常小。但是，無論多少原子聚集在一起，軌道的能量都不是連續(xù)的，可看作是準(zhǔn)連續(xù)的，即形成了能帶。材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 17相鄰兩能帶間的能量范圍稱為“能隙”或“禁帶”。晶體中電子不能具有這種能量。完全被電子占據(jù)的能帶稱“滿帶”，滿帶中的電子不會導(dǎo)電；完全末被占據(jù)的稱“空帶”；部分被占據(jù)的稱“導(dǎo)帶”。導(dǎo)帶中的電子能夠?qū)щ姡瑑r電子所占據(jù)能帶稱“價帶”。能量比價帶低的各能帶一般都是滿帶，價帶可以是滿帶，也可以是導(dǎo)帶。 18 固體理論指出：在無外電場作用時，無論絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w都無電流；在外電場作用下，不滿帶導(dǎo)電而滿帶不導(dǎo)電。由此可以得出一個區(qū)別導(dǎo)體和絕緣體的原則，即固體中雖然有很多電子，但是如果

10、一個固體中的電子恰好充填某一能帶及其下面的一系列能帶，并且在此之上相隔一個較寬禁帶的其他能帶都是空的，那么它就是絕緣體圖6-5(a)。相反，如果電子未能填滿最高的能帶圖6-5(c)，或者能帶之間有重疊，結(jié)果就會形成導(dǎo)體 三種固體的能帶示意圖（a）絕緣體；(b)半導(dǎo)體；(c)導(dǎo)體19堿金屬 它是屬于不滿帶的情況，故為導(dǎo)體，其中每個原子都有一個s價電子。眾多原子聚合成固體后，s能級將分裂成很寬的s能帶，而且是半充滿的。堿土金屬 由堿土元素形成的晶體，例如鎂，每個原子有兩個3s能帶是滿的，但它不是絕緣體而是導(dǎo)體，因為它們的3s能帶與較高的能帶有交疊的現(xiàn)象。鈹、鎂等堿土金屬都有能帶重疊，故能導(dǎo)電。但是

11、重疊程度有差異，例如鈣的上、下兩個能帶重疊的部分很小，因而是不良導(dǎo)體。金屬的能帶20貴金屬 習(xí)慣上常把銅、銀、金稱為貴金屬。它們都有一個s態(tài)價電子，但有以下幾點與堿金屬不同：d殼層是填滿的，而堿金屬的d殼層完全空著；具有面心立方結(jié)構(gòu)；因d殼層填滿，原子恰如鋼球，不易壓縮，貴金屬等的價電子數(shù)是奇數(shù)，本身的能帶也沒有填滿，故為良導(dǎo)體。過渡金屬 過渡金屬具有未滿的d殼層。這是與貴金屬原子的主要區(qū)別。其d殼層的半徑比外面s價電子小得多，當(dāng)金屬原子結(jié)合形成晶體時，d殼層的電子云相互重疊較少，而外面價電子殼層的電子云重疊得甚多，故d帶的特點是又低又窄，可以容納的電子數(shù)多，即可容納10N個(N為原子數(shù))。s

12、帶的特點是很寬，上限很高，可以容納的電子數(shù)為2N。因此，過渡金屬的d層能奪取較高的s帶中的電子而使能量降低，導(dǎo)致它們的結(jié)合能較大，而強(qiáng)度較高，導(dǎo)電性下降。如Fe、Ni、Co等的3d與4s帶有交疊現(xiàn)象，有導(dǎo)電性。21絕緣體的能帶 惰性氣體的原子中各能級原來都是滿的，結(jié)合成晶體時能帶也為電子所填滿，故為絕緣體；由正、負(fù)離子組成的離子晶體，因正、負(fù)離子的各外層軌道都被電子充滿，使晶體中相應(yīng)的能帶填滿，并且這兩個能帶本來系由兩個能量相差較大的能級分裂而來，禁帶寬度較大，因而是典型的絕緣體。 絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)具有下列特征：在滿帶與導(dǎo)帶之間存在一個較大的禁帶，約大于6.40810-19J，禁帶寬度依物質(zhì)不

13、同而異，禁帶愈寬，絕緣性愈好。 22半導(dǎo)體的能帶 導(dǎo)電性能介于絕緣體與導(dǎo)體之問的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體按其有無雜質(zhì)，可以分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩類。本征半導(dǎo)體的電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶上，形成空穴-電子對載流子，半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，約在1.60210-19J附近。 含有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，有n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體兩種。在實用上，大多數(shù)為雜質(zhì)半導(dǎo)體 23n型半導(dǎo)體：在Si、Ge等四價元素中摻人少量五價元素P、Sb、Bi、As等，因價電子多出一個，在導(dǎo)帶附近會形成由雜質(zhì)造成的能級。這種雜質(zhì)能級與導(dǎo)帶之間的禁帶寬度很窄(例如P，約為160210-21J)，故多余的一個電子在室溫下就可躍遷到

14、導(dǎo)帶上去。這類電子型導(dǎo)電的半導(dǎo)體，稱為n型半導(dǎo)體。 p型半導(dǎo)體：它是在四價帶附近形成摻雜的能級(例如：Al約為1.602l0-21J)，因缺少一個電子，以少許的能量(常溫下的能量)就可使電子從價帶躍遷到摻雜能級上，相應(yīng)地在價帶中則形成一定數(shù)量的空穴，這些空穴可看成是參與導(dǎo)電的帶有正電的載流子。這種空穴型導(dǎo)電的半導(dǎo)體，稱為p型半導(dǎo)體。24材料的半導(dǎo)電性 在絕對零度下，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相似，但是，半導(dǎo)體的禁帶比絕緣體的禁帶窄，不需要太多的熱、電、磁或其他形式的能量就能把部分電子激發(fā)到空帶，這部分電子在勢場作用下可在晶體中自由運動，成為傳導(dǎo)電子。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能取決于傳導(dǎo)電子數(shù)和空穴數(shù)。在外

15、電場作用下，有空穴導(dǎo)電和電子導(dǎo)電兩種類型。 25半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩類，在實用上，大多數(shù)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體借助于雜質(zhì)的作用來控制其電學(xué)性能。本征半導(dǎo)體是在外界能量作用下其電子從滿帶激發(fā)到導(dǎo)帶從而具有半導(dǎo)體性質(zhì)。純凈完整的半導(dǎo)體晶體只可能是電子和空穴的混合導(dǎo)電本征導(dǎo)電。當(dāng)晶體中存在其他元素(雜質(zhì))時，會對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)起決定性的影響。適當(dāng)種類的少量雜質(zhì)可控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，使之成為單純的電子導(dǎo)電或空穴導(dǎo)電。適當(dāng)雜質(zhì)之所以對導(dǎo)電類型起決定的作用，是由于在半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中附加了一些性質(zhì)不同的雜質(zhì)能級，這些能級常常位于禁帶中間。26溫度越高，半導(dǎo)體從滿帶激發(fā)至導(dǎo)帶的電子數(shù)就越

16、多，導(dǎo)帶或滿帶中的載流子數(shù)就越大，導(dǎo)電性就越好。這就是為什么半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而增大的原因。這與金屬的電導(dǎo)率隨溫度升高下降的情況正相反。另外半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度變化十分靈敏，半導(dǎo)體溫度改變幾度所引起電導(dǎo)率的變化可抵得上金屬導(dǎo)體溫度改變幾百度的效果。實用中常利用半導(dǎo)體這種熱敏性質(zhì)制造熱敏電阻，作為精確測定溫度的熱敏元件。 27晶體中原子的振動就可使少量電子受到熱激發(fā)，從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，即在導(dǎo)帶底部附近存在少量電子，從而在外電場下顯示出一定導(dǎo)電性。 28材料的超導(dǎo)電性 在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。超導(dǎo)態(tài)的電阻小于目前所能檢測的最小電阻率l0-25m，可以認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)沒有

17、電阻發(fā)生這種現(xiàn)象的溫度稱為臨界溫度，并以Tc表示 291911年，荷蘭物理學(xué)家卡莫林.昂內(nèi)斯(H.Karmerligh-onnes)在萊頓(Leiden)實驗室研究在極低溫度下各種金屬電阻變化時,首先發(fā)現(xiàn)水銀(Hg)在4.2K時電阻突然為零的現(xiàn)象(稱為超導(dǎo)電性),揭開了超導(dǎo)研究的序幕.昂內(nèi)斯由于1911年超導(dǎo)現(xiàn)象的研究,獲得了1913年度諾貝爾物理學(xué)獎. 301941年、1953年、1976年德國人艾舍曼、美國人哈迪及美國貝爾實驗室分別使臨界溫度達(dá)到15K、17.1K和20.5K。1986年1月,IBM蘇黎世實驗室的德國人貝德諾爾茲(J.G.Bednorz)瑞士人米勒(K.A.Muler)宣布

18、發(fā)現(xiàn)可能達(dá)到Tc=35K的鑭鋇銅氧化物超導(dǎo)體，中國科學(xué)院物理所趙忠賢等于1987年獲得第一塊液氮溫區(qū)的超導(dǎo)材料，臨界溫度100K以上。德國人貝德諾爾茲(J.G.Bednorz)和瑞士人米勒(K.A.Muler)因為發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)體而獲得了1987年諾貝爾物理學(xué)獎。1990年有機(jī)超導(dǎo)材料被制備出來。自此以后,在高臨界溫度下超導(dǎo)體的研究方面進(jìn)展較快,取得了一系列突破性的進(jìn)展 31清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心劉慶教授、韓征和教授等人帶領(lǐng)的團(tuán)隊籌建清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心，在高溫（液氮零下196攝氏度）超導(dǎo)材料組織研制成功了性能居世界先進(jìn)水平的500米Bi系高溫超導(dǎo)線材，成為清華大學(xué)90周年校慶最新的重大

19、科技成果。獲評北京市科學(xué)技術(shù)一等獎（排名第二）；組織實施的高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線建設(shè)及高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)分別獲評2001年及2004年“中國十大科技新聞”。 32既然沒有電阻，那么超導(dǎo)體中的電流將繼續(xù)流動。有報道說，用鈮一鋯合金(Nb 0.75，Zr 0.35)超導(dǎo)線制成的螺管磁體，其超導(dǎo)電流估計衰減時間不小于l0萬年。超導(dǎo)體中有電流而沒有電阻，說明超導(dǎo)體是等電位的，超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場。33超導(dǎo)材料基本特性完全的導(dǎo)電性在室溫下把超導(dǎo)體做成圓環(huán)放在磁場中，并冷卻到低溫使其轉(zhuǎn)入超導(dǎo)態(tài)。這時把原來的磁場去掉，則通過磁感作用，沿著圓環(huán)將感生出電流。由于圓環(huán)的電阻為零，故此電流將永不衰減，稱為永久電流 34超導(dǎo)

20、材料基本特性完全的抗磁性即處于超導(dǎo)狀態(tài)的材料，不管其經(jīng)歷如何磁感應(yīng)強(qiáng)度B始終為零，這就是所謂的邁斯納(Melssner)效應(yīng)。這說明超導(dǎo)體是一個完全抗磁體。超導(dǎo)體具有屏蔽磁場和排除磁通的性能。 35超導(dǎo)材料的基本臨界參數(shù)1、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc： 超導(dǎo)體低于某一溫度Tc時，便出現(xiàn)完全導(dǎo)電和邁斯納效應(yīng)等基本特性。 2、臨界磁場Hc 臨界磁場Hc就是能破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場。當(dāng)TTc時，將超導(dǎo)體放人磁場中，當(dāng)磁場高于Hc時，磁力線穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)體被破壞，而成為正常態(tài)。 隨溫度降低，Hc將增加。 3、臨界電流密度Jc 臨界電流就是保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流。隨著外磁場的增加，Jc必須相應(yīng)地減小，以使它們

21、的總和不超過Hc值，從而保證超導(dǎo)態(tài)。 36超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)BCS理論：1957年由Bardeen, Cooper, Sehriffer等人提出：超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于超導(dǎo)體中的電子在超導(dǎo)態(tài)時，電子之間存在著特殊的吸引力，而不是正常態(tài)時電子之間的靜電斥力。這種吸引力使電子結(jié)成電子對，即庫勃電子對，使得能量大幅度降低而形成一個穩(wěn)定態(tài)，能量降低的幅度稱為超導(dǎo)體的能隙，而正常電子則處于能隙以上的能量更高的狀態(tài)。376.2 介電性能 介電性能：帶電質(zhì)點發(fā)生短距離的位移,而不是傳導(dǎo)電流，因此在電場中表現(xiàn)出特殊的性狀. 材料的介電性能主要包括介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、介電強(qiáng)度等。介電材料的價帶和導(dǎo)帶之間存在大的

22、能隙，所以它們具有高的電阻率。產(chǎn)生介電作用的原因是電荷的偏移，或稱為極化。介電材料中最重要的是離子極化，即在電場作用下離子偏移它的平衡位置。有極化離子存在時，電子層也會相對于核的位置發(fā)生偏移而形成電子極化。 38介電材料在電氣工程中常用到介電材料，這類材料稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)的一個重要性質(zhì)指標(biāo)是介電常數(shù)。在交變電場的作用下，電阻不能單獨表征電學(xué)性能，必須引入電容的概念。如果在一真空平行板電容器上加以直流電壓V，在兩個極板上將產(chǎn)生一定量的電荷Q0，這個真空電容器的電容為： Co=Q0/V 電容Co與所加電壓的大小無關(guān)，而決定于電容器的幾何尺寸。如果每個極板的面積為A(m2)，而兩極板同的距離為L(

23、m)，則有： Co=0AL 比例常數(shù)0稱為真空電容率(或真空介電常數(shù)) 39如果上述電容器的兩極板問充滿電介質(zhì)，這時極板上的電荷將增加到Q(Q=Q0+Q1)，電容器的電容c比真空電容增如了r倍 C=QV=rCo=AL r=CCo=0 r是一個無因次的純數(shù)，稱為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)，表征電介質(zhì)貯存電能能力的大小，是介電材料的一個十分重要的性能指標(biāo)。則稱為介質(zhì)的電容率(或介電常數(shù))，表示單位面積和單位厚度電介質(zhì)的電容值，單位與0相同。 40把電介質(zhì)引入真空電容器，引起極板上電荷量增加（Q1)，電容增大，這是由于在電場作用下，電介質(zhì)中的電荷發(fā)生了再分布，靠近極板的介質(zhì)表面上將產(chǎn)生表面束縛電荷，結(jié)果使

24、介質(zhì)出現(xiàn)宏觀的偶極，這一現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。 分子的極性越大，其介電常數(shù)也越大。 41電子極化和離子極化統(tǒng)稱為位移極化或形變極化，它不依賴于溫度，所以非極性高分子化合物在溫度升高時，介電常數(shù)因密度減小而略有下降。取向極化有明顯的溫度依賴性，極性聚合物在溫度升高時，分子熱運動加劇，既有利于極化，卻又對偶極取向產(chǎn)生干擾，介電常數(shù)隨溫度而增大。介電常數(shù)隨頻率而變化，在低頻交變電場下，所有極化均有足夠時間發(fā)生，這時介電常數(shù)最大。在高頻交變電荷下跟不上外電場變化，介電常數(shù)變小，頻率處于上述兩種情況之間時，取向雖能跟上電場的交變，但不同相落后，發(fā)生滯后現(xiàn)象，伴有介質(zhì)損耗，介電常數(shù)處于中間值。 42介電損

25、耗材料作為電介質(zhì)使用時，在交變電場作用下，除了由于純電容作用引起的位相與電壓正好差90的電流IC外，總有一部分與交變電壓同位相的漏電電流IR，前者不消耗任何電功率，而后者則產(chǎn)生電功率損耗。 電介質(zhì)在交變電場作用下，由于發(fā)熱而消耗的能量稱為介電損耗。產(chǎn)生介電損耗的原因有兩個，一是電介質(zhì)中微量雜質(zhì)而引起的漏導(dǎo)電流，另一個原因是電介質(zhì)在電場中發(fā)生極化取向時，由于極化取向與外加電場有相位差而產(chǎn)生的極化電流損耗，這是主要原因。43介電擊穿在強(qiáng)電場中，當(dāng)電場強(qiáng)度超過某一臨界值時，電介質(zhì)就喪失其絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為介電擊穿。發(fā)生介電擊穿的電壓稱為擊穿電壓。擊穿電壓V與擊穿介質(zhì)厚度d之比，即平均電位梯度稱為

26、擊穿強(qiáng)度。 E穿=V穿d 44影響介電擊穿的因素很多，其實際測定也較困難。介電擊穿破壞現(xiàn)象往往經(jīng)歷結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生、發(fā)展和終結(jié)幾個階段，而整個破壞過程是一極為快速的過程，即使在相同條件下的破壞試驗中，幾乎不能完全重復(fù)或控制介電擊穿過程出現(xiàn)和發(fā)生的歷程，試樣介電擊穿破壞的形態(tài)非常復(fù)雜而各異，材料中存在的微量雜質(zhì)或微小的缺陷對介電擊穿試驗的影響很大。擊穿場強(qiáng)測定的偏差或統(tǒng)計分散性相當(dāng)大。45電介質(zhì)的介電擊穿大約可分為以下幾類：特征擊穿：材料在純凈無缺陷情況下所能承受不至于發(fā)生介電擊穿的最高電場強(qiáng)度。熱擊穿：在電場作用下，電介質(zhì)由于電功率消耗而發(fā)熱，這種在電場和熱共同作用下導(dǎo)致的擊穿現(xiàn)象稱為。 放電擊

27、穿：指介質(zhì)表面、內(nèi)部微孔或縫隙處，或者雜質(zhì)附近由局部放電而引起的介電擊穿破壞。 46介電擊穿過程通常伴隨著物理和化學(xué)效應(yīng)，局部放電的脈沖電流可以使材料變脆、機(jī)械強(qiáng)度變差、表面變粗糙、出現(xiàn)凹坑并形成電樹枝。大分子可能發(fā)生斷鍵，在含氧氣氛下放電會產(chǎn)生臭氧，臭氧又會進(jìn)一步攻擊鏈分子，離子和電子在強(qiáng)電場下被加速并轟擊介質(zhì)分子，引起介質(zhì)的發(fā)熱和電老化，在材料受機(jī)械應(yīng)力時，電擊穿的發(fā)生和發(fā)展將更為容易。 47熱電效應(yīng)在用不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，若使其結(jié)合部出現(xiàn)溫度差，則在此閉合電路中將有熱電流流過，或產(chǎn)生熱電勢，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。此類熱電效應(yīng)有塞貝克效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)三種，見圖。 6.3 熱

28、電效應(yīng)與光導(dǎo)電48塞貝克效應(yīng)：兩種不同的導(dǎo)體a、b構(gòu)成電路開路時，若接點、分別保持在不同的溫度內(nèi)，則賄賂內(nèi)產(chǎn)生電動勢（熱電勢）；珀爾帖效應(yīng)：兩種不同的導(dǎo)體a、b構(gòu)成的閉合電路中流過電流時，則兩個接點的其中一個產(chǎn)生熱量，另一個吸收熱量湯姆遜效應(yīng)：在溫度隨位置不同而不同的導(dǎo)體中，流過電流而產(chǎn)生熱的現(xiàn)象（湯姆遜效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)類似，只是同一金屬的效應(yīng)）。4950熱電材料一般說來，金屬（主要是合金）的熱電效應(yīng)較弱，可用于制作溫度測量的熱電偶。而半導(dǎo)體熱電材料，因其熱電效應(yīng)顯著，所以被用于熱電發(fā)電或電子致冷。此外，還可作為高靈敏度溫敏元件。51溫差發(fā)電溫差發(fā)電與其它發(fā)電方式相比，效率低，成本高，原因與熱

29、電材料的自身效率與成本有關(guān)。在一些其它能源無法使用的場合，可得到應(yīng)用，如高山、南極、空間飛行、月球等蓄熱發(fā)電52光電導(dǎo)半導(dǎo)體受光輻射時，電導(dǎo)率增加而變得易于導(dǎo)電，此現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。其他的光電效應(yīng)還包括：光生伏特效應(yīng)和光電子效應(yīng)。53半導(dǎo)體中除熱激發(fā)能產(chǎn)生電子空穴外，光激發(fā)也能產(chǎn)生電子空穴。當(dāng)光子能量大于禁帶寬度的光照射在半導(dǎo)體材料上時，價帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子一空穴對。如此光生載流子是由光注入產(chǎn)生的非平衡載流子。光生載流子的產(chǎn)生使材料的電導(dǎo)率升高。 54光電導(dǎo)效應(yīng)的應(yīng)用光敏電阻：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光敏電阻可作傳感器用于自動控制等 紅外光電導(dǎo)探測器：靜電復(fù)印機(jī)的

30、有機(jī)光電導(dǎo)體等等55光生伏特效應(yīng)當(dāng)光子能量大于禁帶寬度的光照射到p-n結(jié)上時，同樣也會產(chǎn)生光生電子空穴。由于p-n結(jié)空間電荷層有自建電場存在，在該電場的作用下，光生電子被掃向n型區(qū)一邊，光生空穴被掃向p型區(qū)一邊，如此便產(chǎn)生光生電動勢，這被稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)可分為丹倍效應(yīng)、光磁電效應(yīng) 、PN結(jié)光伏效應(yīng)等56它是指由于光生非平衡載流子擴(kuò)散速度的差異而引導(dǎo)起的光照方向產(chǎn)生電場和電位差的現(xiàn)象。根據(jù)電位差的測定結(jié)果，可以確定光照點的位置 57光磁電效應(yīng)是指在垂直于光束照方向施加外磁場時半導(dǎo)體兩側(cè)面間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象 58當(dāng)光子能量大于禁帶寬度的光照射到p-n結(jié)上時，同樣也會產(chǎn)生

31、光生電子空穴。由于p-n結(jié)空間電荷層有自建電場存在，在該電場的作用下，光生電子被掃向n型區(qū)一邊，光生空穴被掃向p型區(qū)一邊，如此便產(chǎn)生光生電動勢，這被稱為 PN結(jié)光伏效應(yīng)59壓電效應(yīng)在某些晶體的一定方向上施加壓力或拉力，則在晶體的一些對應(yīng)的表面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電荷密度與施加的外力大小成正比。這是力致形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，由居里兄弟于1880年在石英晶體上發(fā)現(xiàn)6.4 鐵電性及壓電性60某些晶體結(jié)構(gòu)受外界應(yīng)力作用而變形時，好像電場施加在鐵電體一樣，有偶極矩形成，在相應(yīng)晶體表面產(chǎn)生與應(yīng)力成比例的極化電荷，它像電容器一樣，可用電位計在相反表面上測出電壓；如果施加相反應(yīng)力，則改變電位符號。這些材

32、料還有相反的效應(yīng)，若將它放在電場中，則晶體將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的應(yīng)變(彈性變形)。這種具有使機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。由于形變而產(chǎn)生的電效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)；對材料施加一電壓而產(chǎn)生形變時，稱為逆壓電效應(yīng)。61壓電效應(yīng)產(chǎn)生于絕緣介質(zhì)中，主要是離子晶體。材料的壓電性取決于晶體結(jié)構(gòu)是否對稱，晶體必須有極軸(不對稱或無對稱中心)，才有壓電性。同時，材料必須是絕緣體。 某些各向同性晶體可以被強(qiáng)電場“極化”，并且具有永久性，也能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。常見的壓電晶體有石英晶體、鈦酸鋇、碳酸鉛、四硼酸鋰6263壓電體用于點火裝置、壓電變壓器、微音擴(kuò)大器、振動計、超聲波器件和各種頻率濾波器等等，用途十分廣

33、泛。許多陶瓷材料均是重要的壓電材料。聚偏二氟乙烯(PVDF)是近年來研究最多的聚合物壓電材料。 64熱釋電性在某些絕緣體中，由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)該效應(yīng)最初是在電氣石上發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)電氣石被加熱時，晶體一端出現(xiàn)正電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)晶體被冷卻時，兩端的電荷反號。具有熱釋電性的物質(zhì)稱為熱電體電氣石、鐵電碳酸鋇等65 鐵電性研究介電常數(shù)大的物質(zhì)，如BaTiO3時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場增加時，極化程度開始時按比例增大，接著突然升高，在電場強(qiáng)度很大時增加速度又減慢而趨向于極限值(圖6-15)。除去電場后剩余一部分極化狀態(tài)，必須加上相反的電場才能完全消除極化狀態(tài)，也就是出現(xiàn)滯后現(xiàn)象

34、，與鐵磁體類似，人們稱這種現(xiàn)象為鐵電性。此種效應(yīng)首先是在酒石酸鉀鈉上發(fā)現(xiàn)的。這種保持極化的能力可使鐵電材料保存信息，因而成為可供計算機(jī)線路使用的材料。 鐵電體都具有熱釋電性，但需要經(jīng)過人工極化5556-112Pr332-Pr644電場強(qiáng)度極化強(qiáng)度圖6-15 鐵電滯后現(xiàn)象66鐵電體由于自發(fā)極化可以在內(nèi)部形成若干均勻極化的區(qū)域，它們的極化方向不同，這些區(qū)域稱為電疇。鐵電體的特征是具有電疇結(jié)構(gòu)的晶體，這些電疇的界面稱為“疇壁”，它隨外電場的變化而移動，顯示宏觀的極化，直到形成單個電疇。6768鐵電性依賴于溫度。在一個特征溫度以上，材料將不再具備鐵電性，此溫度就稱為鐵電居里溫度。鐵電材料必然是介電體、

35、壓電體，而且介電常數(shù)高，所以特別適用于電容器和壓電換能器。 696.5 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性，來源于電子的運動以及原子、電子內(nèi)部的永久磁矩。因而了解電子磁矩和原子磁矩的產(chǎn)生及其特性是研究物質(zhì)磁性的基礎(chǔ)。磁矩是表示磁體本質(zhì)的一個物理量。任何一個封閉的電流都具有磁矩m。其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環(huán)形的面積的乘積。在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩J J=mB J為矢量積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度 70對于一般磁介質(zhì)，無外加磁場時，其內(nèi)部各磁矩的取向不一，宏觀無磁性。但在外磁場作用下，各磁矩有規(guī)則地取向，使磁介質(zhì)宏觀顯示磁性，這就叫磁化。磁化強(qiáng)度的物理意義是單位體積的磁矩。磁介質(zhì)在外

36、磁場中的磁化狀態(tài)，主要由磁化強(qiáng)度M決定。M可正、可負(fù)，由磁體內(nèi)磁矩矢量和的方向決定，因而磁化了的磁介質(zhì)內(nèi)部的磁感強(qiáng)度B可能大于，也可能小于磁介質(zhì)不存在時真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 M=mV 71磁性的本質(zhì) （1） 電子的磁矩 電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。實驗證明，電子的自旋磁矩比軌道磁矩要大得多。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格場的作用，其方向是變化的，不能形成一個聯(lián)合磁矩，對外沒有磁性作用；因此，物質(zhì)的磁性不是由電子的軌道磁矩引起。而是主要由自旋磁矩引起。 72（2）“交換”作用。交換能與鐵磁性的關(guān)系像鐵這類元素，具有很強(qiáng)的磁性。這種磁性稱為鐵磁性。鐵磁性除與電子結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還決定于晶

37、體結(jié)構(gòu)。實踐證明，處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生特殊的相互作用。這種相互作用稱為“交換”作用。這是因為在晶體內(nèi)，參與這種相互作用的電子已不再局限于原來的原子，而是“公有化”了。原子間好像在交換電子，故稱為“交換”作用。而由這種“交換”作用所產(chǎn)生的“交換能”J與晶格的原子間距有密切關(guān)系。當(dāng)距離很大時，J接近于零。隨著距離的減小，相互作用有所增加，J為正值，就呈現(xiàn)出鐵磁性， 73磁性的分類 抗磁性：當(dāng)磁化強(qiáng)度M為負(fù)時，固體表現(xiàn)為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有選種性質(zhì)。順磁性：不論外加磁場是否存在，原子內(nèi)部存在永久磁矩。但在無外加磁場時，由于順磁物質(zhì)的原子做無規(guī)則的熱振動，宏觀

38、看來沒有磁性；在外加磁場作用下，每個原子磁矩比較規(guī)則地取向，物質(zhì)顯示極弱的磁性。鐵磁性：以上兩種磁性物質(zhì)，其磁化率的絕對值都很小，因而都屬弱磁性物質(zhì)。另有一類物質(zhì)如Fe、Co、Ni，室溫下磁化率可達(dá)103數(shù)量級，屬于強(qiáng)磁性物質(zhì)。這類物質(zhì)的磁性稱為鐵磁性。亞鐵磁性：由于鐵氧體內(nèi)總是含有兩種或兩種以上的陽離子，這些離子各具有大小不等的磁矩(有些離子完全沒有磁性)，兩種以上的離子在晶體內(nèi)磁矩出現(xiàn)反平行取向而導(dǎo)致的抵消作用，通常并不一定會使磁性完全消失而變成反鐵磁體，往往保留了剩余磁矩，表現(xiàn)出一定的鐵磁性。這稱為亞鐵磁性或鐵氧體磁性。 反鐵磁性：反鐵磁性是指由于“交換”作用為負(fù)值，電子自旋反向平行排列

39、。在同一子晶格中有自發(fā)磁化強(qiáng)度，電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發(fā)磁化強(qiáng)度大小相同，方向相反，整個晶體M=0。反鐵磁性物質(zhì)大都是非金屬化合物，如MnO。74磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是磁性材料最重要的物理量之一，用表示。磁導(dǎo)率是表示磁性材料傳導(dǎo)和通過磁力線的能力。一般磁介質(zhì)B=H，不變，B-H為線性關(guān)系；鐵磁體，B-H為非線性，隨外磁場變化。 生產(chǎn)上為了獲得高磁導(dǎo)率的磁性材料，一方面要提高材料的Ms值，這由材料的成分和原子結(jié)構(gòu)決定；另一方面要減小磁化過程中的阻力，這主要取決于磁疇結(jié)構(gòu)和材料的晶體結(jié)構(gòu)。因此必須嚴(yán)格控制材料成分和生產(chǎn)工藝。 75鐵磁性和鐵電性有相似的規(guī)律，但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是它們的本質(zhì)差別：鐵電性是由離子位移引起的，而鐵磁性則是由原子取向引起的；鐵電性在非對稱的晶體中發(fā)，而鐵磁性發(fā)生在次價電子的非平衡自旋中；鐵電體的居里點是由于熵的增加(晶體相變)，而鐵磁體的居里點是原子的無規(guī)則振動破壞了原子間的“交換”作用，從而使自發(fā)磁化消失引起的 766.7無機(jī)非金屬材料的電磁性質(zhì) 玻璃的電磁性質(zhì)陶瓷的電磁性質(zhì)水泥混凝土