第一章 材料的电学.ppt

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1、杜慧玲杜慧玲 博士博士 主讲主讲西安科技大学西安科技大学材料科学与工程系材料科学与工程系第一章第一章主要内容电导的物理现象电导的物理现象金属的导电性金属的导电性半导体的电学性能半导体的电学性能材料的介电性材料的介电性材料的超导性材料的超导性1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数Flow of electrons in the metal to the positive electrode,as the effect of applying a voltageSimple picture of metallic

2、 bonding:high number of electrons in between the ionsEnergy scheme:Positive end of the rod has a lower energy than the negative endWhy not all the electrons move to the positive terminal?对一截均匀导电体，存在如下关系：欧姆定律欧姆定律微分形式1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数AreaLengthi一、电阻率（电导率）一、

3、电阻率（电导率）一、电阻率（电导率）一、电阻率（电导率）二、表面电阻、体积电阻二、表面电阻、体积电阻二、表面电阻、体积电阻二、表面电阻、体积电阻1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数1.对板状样品对板状样品1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数2.对管状样品对管状样品1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数3.对圆片状样品对圆片状样品1.1.

4、电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数1.1.二探针法二探针法二探针法二探针法（2-2-Probe Probe Conductivity MeasurementsConductivity Measurements）VLAR=Rsample+RcontactR=V/Ir r=(RA)/LICan give erroneous values if contact resistance,Rcontact,is not negligible with respect to RsampleOhmeter特征：特征：适用于高导电

5、率材料响消除电极非欧姆接触对测量的影响1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数三、电阻测试方法三、电阻测试方法三、电阻测试方法三、电阻测试方法I=V1/R1Rsample=V2/I Rsample=(V2R1)/V1r r=Rsample(A/L)特征：特征：样品尺寸较大一般用来测量半导体材料的方阻。LAIV2V1R1Current SourceOhmeters1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数2.2.四探针法四探针法四探

6、针法四探针法（4 4-Probe Probe Conductivity MeasurementsConductivity Measurements）四、材料的电阻四、材料的电阻四、材料的电阻四、材料的电阻1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数ResistivitiesResistivities of Real Materials of Real Materials1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.1 1.1 1.1 1.1 电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数电导的宏观参数四、材料的电阻四、材料的

7、电阻四、材料的电阻四、材料的电阻电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子载流子，就可以在电场下产生导电电流。金属中：自由电子无机材料中：电子（负电子/空穴）电子电导离子（正、负离子/空穴）离子电导1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性一、载流子一、载流子一、载流子一、载流子二、迁移率二、迁移率二、迁移率二、迁移率1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电子电导的特征是具有霍尔效应。置于磁场中的静止载流

8、导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应霍尔效应。霍尔系数（又称霍尔常数）RH在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度成反比，即式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性三、霍尔效应三、霍尔效应三、霍尔效应三、霍尔效应1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性霍尔效应的

9、起源：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。该力所作用的方向即与电荷运动的方向垂直，也与磁场方向垂直。JxEyHz1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性霍尔系数RH=*，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。霍尔系数RH有如下表达式：对于半导体材料：n型：p型：离子电导的特征是具有电解效应。利用电解效应可以检验材料是否存在离子导电可以半顶载流子是正离子还是负离子1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的

10、物理特性电导的物理特性电导的物理特性四、电解效应四、电解效应四、电解效应四、电解效应1.1.电导的物理现象电导的物理现象1.2 1.2 1.2 1.2 电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性电导的物理特性 纯金属电阻率理论研究是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一,也是超导的理论基础。包括J.Bardeen在内的不少人对纯金属电阻率与温度奇异的依赖关系进行过深入的理论研究，但“处理方法、数学积分及至结果 表 达 式 都 是 相 当 令 人 生 畏 的。”“The manipulation,integration and resulting expressions are rath

11、er formidable.”R.J.Elliot and A.F.Gibson,AnIntroduction to Solid State Physics and its Applications,311(1976)，这些研究内容难以以基础课的内容向学生们讲授，高低温电阻率温度依赖性的奇异特性，其物理机理也不甚明了。问题：能否用更简单明了的模型来揭示纯金属电阻率与温度的依赖关系？一、电阻率研究的重要性及前人的工作一、电阻率研究的重要性及前人的工作2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制基础一基础一基础一基础一 第第三三章

12、章中中晶晶格格热热容容是是一一个个宏宏观观物物理理量量，是是晶晶格格振振动动的的统统计计平平均均效效应应。爱爱因因斯斯坦坦采采取取了了一一个个平平均均频频率率的的简简单单模模型型，取取得得了了很成功的结果。很成功的结果。电电阻阻率率也也是是一一个个宏宏观观物物理理量量，是是电电子子与与声声子子作作用用的的统统计计平平均均效效应应。是是否否可可采采取取平平均均声声子子的的模模型型来来处处理理纯纯金金属属电电阻阻率率问问题题呢？呢？所所谓谓平平均均声声子子模模型型，是是假假定定声声子子系系统统由由平平均均声声子子来来构构成成，在在这这个个系系统统中中，每每个个声声子子的的动动量量等等于于原原声声子

13、子系系统统中中声声子子的的平平均均动量。动量。我我们们知知道道，对对电电导导有有贡贡献献的的只只是是费费密密面面上上的的电电子子，因因此此纯纯金金属属电电阻阻率率可可看看成成是是费费密密面面上上的的电电子子与与平平均均声声子子相相互互碰碰撞撞的的结结果。果。2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制基础二基础二已知，立方晶系已知，立方晶系金属的电阻率金属的电阻率 （1 1）电电子子浓浓度度 ，电电子子电电荷荷 e e ，而而费费密密面面上上电电子子的的有有效效质质量量 可可看看成成与与温温度度无无关关。可可见见电电阻阻率率与

14、与温温度度的的依依赖赖关关系系，取取决决于于弛弛豫豫时时间间 的的倒倒数数与与温温度度的的依依赖赖关关系系。由由固固体体物物理知识可知理知识可知.2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制采用平均声子模型采用平均声子模型,上式简化成上式简化成 （2 2）其中其中 是一常数是一常数，是除是除 态外，费密面上态外，费密面上 其它电子态的总和，其它电子态的总和，是电子与一个平均声子碰是电子与一个平均声子碰 撞所产生的散射角。撞所产生的散射角。因此，对因此，对 的分析，就转换的分析，就转换 成对因子成对因子 和和 的分析。的分析。2

15、.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制二、金属自由电子论二、金属自由电子论二、金属自由电子论二、金属自由电子论费密面附近电子的平均速度 ,是一常数;按照德拜模型,声子的速度为金属的声速,也是常数。所以 。2.求考虑正常散射过程，由下图可知2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制于是于是（2 2）式变成式变成 电阻率变成电阻率变成 (3)(3)因为因为 是声子的平均动量，由此推出重要结论：是声子的平均动量，由此推出重要结论：纯金属的电阻率与声子浓度和纯金

16、属的电阻率与声子浓度和声子平均动量的平方声子平均动量的平方成正比。成正比。2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制声子的平均动量声子的平均动量 (5)(5)取变量变换取变量变换 ,2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制将以上诸式代入将以上诸式代入(3)(3)式得式得 ,(6),(6)其中常数其中常数 2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制高温时高温时,x=x=（/T T）0 0

17、，e ex x 1+1+x x,得到得到 (7)(7)在甚低温时在甚低温时,x=x=（/T T）,得到得到 =17.6=17.6A (8)(8)可见由平均声子模型得到的理论结果与实验规律是相符的可见由平均声子模型得到的理论结果与实验规律是相符的.2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制本节是认识和理解电子与声子相互作用的最典型本节是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一。的例子之一。费密面上的电子遭受声子散射是纯金属具有电阻费密面上的电子遭受声子散射是纯金属具有电阻率的根源。率的根源。纯金属的电阻率与声子浓度和声子

18、平均动量的平纯金属的电阻率与声子浓度和声子平均动量的平方成正比。此结论把纯金属的电阻率与声子的参方成正比。此结论把纯金属的电阻率与声子的参数联系了起来。数联系了起来。小小小小 节节节节2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制三、马基申定则（三、马基申定则（三、马基申定则（三、马基申定则（MatthissensMatthissens Law Law）2.2.金属的导电性金属的导电性2.1 2.1 2.1 2.1 金属导电机制金属导电机制金属导电机制金属导电机制2.2.金属的导电性金属的导电性2.2 2.2 2.2 2.2 温

19、度对电阻率的影响温度对电阻率的影响温度对电阻率的影响温度对电阻率的影响2.2.金属的导电性金属的导电性2.3 2.3 2.3 2.3 压力对电阻率的影响压力对电阻率的影响压力对电阻率的影响压力对电阻率的影响2.2.金属的导电性金属的导电性2.4 2.4 2.4 2.4 固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性2.2.金属的导电性金属的导电性2.4 2.4 2.4 2.4 固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性2.2.金属的导电性金属的导电性2.4 2.4 2.4 2.4 固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性2.2.金属的导电性金属的导电性2

20、.4 2.4 2.4 2.4 固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性固溶体的导电性3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.1 3.1 3.1 3.1 半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.1 3.1 3.1 3.1 半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.2 3.2 3.2 3.2 本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体一、本征半导体一、本征半导体一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体二、杂质半

21、导体二、杂质半导体3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.2 3.2 3.2 3.2 本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.3 3.3 3.3 3.3 p-np-np-np-n结的整流特性结的整流特性结的整流特性结的整流特性一、一、一、一、p-np-np-np-n结的定义结的定义结的定义结的定义3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.3 3.3 3.3 3.3 p-np-np-np-n结的整流特性结的整流特性结的整流特性结的整流特性二、二、二、二、p-np-np-np-n结的结构结的结构结的结构结的结构3

22、.3.半导体的导电性半导体的导电性3.3 3.3 3.3 3.3 p-np-np-np-n结的整流特性结的整流特性结的整流特性结的整流特性三、三、三、三、p-np-np-np-n结的物理本质结的物理本质结的物理本质结的物理本质3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.4 3.4 3.4 3.4 晶体管的放大效应晶体管的放大效应晶体管的放大效应晶体管的放大效应一、晶体管的类型一、晶体管的类型一、晶体管的类型一、晶体管的类型3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.4 3.4 3.4 3.4 晶体管的放大效应晶体管的放大效应晶体管的放大效应晶体管的放大效应二、晶体管的结构二、晶体管的结构二、晶体管的结

23、构二、晶体管的结构3.3.半导体的导电性半导体的导电性3.4 3.4 3.4 3.4 晶体管的放大效应晶体管的放大效应晶体管的放大效应晶体管的放大效应三、晶体管的工作原理三、晶体管的工作原理三、晶体管的工作原理三、晶体管的工作原理4.4.材料的介电性材料的介电性4.1 4.1 4.1 4.1 电介质概述电介质概述电介质概述电介质概述一、电介质的定义一、电介质的定义一、电介质的定义一、电介质的定义电介质的本质特征是以极化极化的方式传递、存储或记录电场的作用和影响，介电常数是表征电介质的最基本的参量。陶瓷的介电性能决定于感应极化的产生及其随时间的建立过程，而介电常数随频率和温度的变化是决定电介质应

24、用的重要因素。在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性线性各向同性线性均匀电介质均匀电介质在电场中的行为。所说的均匀均匀是指电介质的性质不随空间坐标发生变化，所说的各向同性各向同性是指电介质的参数不随场量的方向发生变化，线性线性是指电介质的参数不随场量的数值发生变化。4.4.材料的介电性材料的介电性4.1 4.1 4.1 4.1 电介质概述电介质概述电介质概述电介质概述4.4.材料的介电性材料的介电性4.1 4.1 4.1 4.1 电介质概述电介质概述电介质概述电介质概述二、电介质材料二、电介质材料二、电介质材料二、电介质材料高频电容器陶瓷（即I类介质陶瓷）和微波介质陶瓷，通常都是线性电介质线性

25、电介质。而铁电体（铁电陶瓷）则表现出电学非线性，通常称为非非线性电介质线性电介质。单晶材料为各向异性电介质，陶瓷材料通常被视为各向同性电介质，但经极化处理后的压电陶瓷则表现出各向异性。各向异性电介质通常用张量来描述其物理性质。4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化一、电介质的极化定义一、电介质的极化定义一、电介质的极化定义一、电介质的极化定义导体中的自由电荷自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电束缚电荷荷。注意：铁电

26、体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，完全是由特殊晶体结构诱发的。完全是由特殊晶体结构诱发的。在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下在外电场作用下,电介质内部感生偶极矩的电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。现象，称为电介质的极化。电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：极化强度的单位为库仑/米2(C/m2)宏观上无限小微观宏观上无限小微观上无限大的体积元上无限大的体积元每个分子的

27、每个分子的电偶极矩电偶极矩4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化说明：说明：说明：说明：说明：说明：1.真空中真空中 P=0 ，真空中无电介质。真空中无电介质。2.导体内导体内 P=0 ，导体内不存在电偶极子。导体内不存在电偶极子。注意注意:介质极化也有均匀介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。极化与非均匀极化之分。3.电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度，排列愈有序说明极化愈烈度，排列愈有序说明极化愈烈4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介

28、质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化二、极化类型二、极化类型二、极化类型二、极化类型弹性位移极化弹性位移极化（瞬时极化）（瞬时极化）取向极化取向极化（弛豫极化）（弛豫极化）电子位移极化（Electronic Polarizability）Response is fast,Response is fast,is small离子位移极化（Ionic Polarizability）Response is slower偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）Re

29、sponse is still slower空间电荷极化(Space Charge Polarizability)Response is quite slow,is large4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化

30、电介质的极化电介质的极化原子和离子的电子位移极化率与温度无关。注意：注意：离子位移极化率与正负离子半径和的立方成正比，与电子位移极化率有大体相同的数量级，随温度升高，离子间距离增大，相互作用减弱，力常数K减小，因此离子位移极化率随温度升高而增大，但增加甚微。偶极子取向极化率与温度成反比，随温度升高而下降。偶极子取向极化率比电子位移极化率大得多，约为1038 F.m2.。介电性能的温度特性对于介电材料的实际应用至关重要，如介电常数温度系数是衡量电介质陶瓷性能的重要指标之一。4.4.材料的介电性材料的介电性4.2 4.2 4.2 4.2 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化不同电介质因

31、极化机制不同,通常表现出不同介电常数.气体:单原子,电子位移极化,r=1+n0/0 极性分子气体:=e+=e+02/3KT 非极性液体和固体电介质,r=2 2.5 极性液体电介质,=e+=e+02/3KT,r2.5 离子晶体一、基本介电关系一、基本介电关系一、基本介电关系一、基本介电关系在各向同性的线性电介质中,极化强度P与电场强度E成正比，且方向相同，即P=0E-电介质的极化率，对于均匀电介质是常数，对于非均匀电介质则是空间坐标的函数。定量表示电介质被电场极化的能力，是电介质宏观极化参数之一。4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4.3 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介

32、质的物理参数电介质的物理参数基基本本介介电电关关系系：电位移矢量与电场强度和极化强度之间的关系为:D=0E+P,适用于各类电介质适用于各类电介质。D=0E+P0E0E（1）0E,令（1）0 0r=，则有D=E,仅适用于各向同性线性电介质各向同性线性电介质 和r分别为电介质的介电常数和相对介电常数。一、基本介电关系一、基本介电关系一、基本介电关系一、基本介电关系4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4.3 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数一、基本介电关系一、基本介电关系一、基本介电关系一、基本介电关系4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4.3

33、 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数从微观上,极化强度是电介质单位体积中所有极化粒子偶极矩的向量和,P=n0.,对线性极化,=Ee,-原子分子离子的极化率,Ee-有效电场上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(、r、E）与微观参数(、n0、Ee)之间地关系。电介质极化的宏观参数与微观参数的关系电介质极化的宏观参数与微观参数的关系 4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4.3 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数二、介电常数二、介电常数二、介电常数二、介电常数在交变电场下，由于介质的极化建立需要一定时间，

34、在实际电介质中会产生损耗，因此介电响应需用复介电常数描述其中，表示损耗，称为损耗因子，是表示电介质损耗的特征参数，其中为电导率。在实际应用中，通常用损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗，4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4.3 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数三、介电弛豫三、介电弛豫三、介电弛豫三、介电弛豫弛豫过程：一个宏观系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为弛豫过程。弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过程的宏观规

35、律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究弛豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4.3 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数四、介电损耗四、介电损耗四、介电损耗四、介电损耗电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。4.4.材料的介电性材料的介电性4.3 4

36、.3 4.3 4.3 电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数电介质的物理参数4.4.材料的介电性材料的介电性4.4 4.4 4.4 4.4 电介质的击穿电介质的击穿电介质的击穿电介质的击穿击穿场强击穿场强电介质所能承受的不被击穿的最大场强。电介质所能承受的不被击穿的最大场强。击穿电压击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。电介质的击穿电介质的击穿 一般外电场不太强时，电介质只被极化，一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开

37、，甚至脱离约束而成为自由电分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。荷，电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿击穿(breakdown)。5.5.材料的超导性材料的超导性5.15.15.15.1 超导特性超导特性超导特性超导特性什么是超导体？什么是超导体？1.1.零电阻零电阻将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下

38、273），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。5.5.材料的超导性材料的超导性5.15.15.15.1 超导特性超导特性超导特性超导特性2.2.完全抗磁性完全抗磁性当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。5.5.材料的超导性材料的超导性5.15.15.15.1 超导特性超导特性超导特性超导特性3.3.超导态的临界参数超导态的临界参数 温度（TC）超导

39、体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。5.5.材料的超导性材料的超导性5.25.25.25.2 超导体分类超导体分类超导体分类超导体分类目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。第第I I类超导体类超导体第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性

40、的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。5.5.材料的超导性材料的超导性5.25.25.25.2 超导体分类超导体分类超导体分类超导体分类5.5.材料的超导性材料的超导性5.25.25.25.2 超导体分类超导体分类超导体分类超导体分类第第IIII类超导体类超导体除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有

41、一个中间态（混合态）2)第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；3)第II类超导体比第I类超导体有更 5.5.材料的超导性材料的超导性5.25.25.25.2 超导体分类超导体分类超导体分类超导体分类第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。5.5.材料的超导性材料的超导性5.25.25.25.2 超导体分类超导体分类超导体分类超导体分类