FH14-材料的电学性能2解析

1材料性能学付华石家庄铁道大学材料科学教研室2第14章材料的电学性能14.1导电性能14.2热电性能14.3半导体导电性的敏感效应14.4介质极化与介电性能14.5绝缘材料的抗电强度第二部分材料的物理性能材料科学教研室314.2热电性能掌握三种热电效应；了解热电势的影响因素及其测试。三种热电效应：热电理论的基础。ThermoelectricEffect当受热物体中的电子(空穴)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，产生电流或电荷堆积的一种现象。14.2.1热电效应材料科学教研室4第一热电效应:塞贝克Seebeck效应1821年，德国人Seebeck不同金属A、B组成回路闭合，接点处温度不同T1T2，回路中产生热电势→热电流。原因：①电子逸出功不同，②自由电子密度不同；N：有效电子密度。金属：几μV/℃半导体：Seebeck效应更显著（几mV/℃）材料科学教研室5Seebeck效应之应用测温热电偶（工业）；温差发电；温差电传感器；常用的热电偶：-50~+1600℃，连续测量；特殊热电偶：-271~+2800℃全固态能量转换，替代燃料电池；军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域材料科学教研室6第二热效应:帕尔贴Peltier效应1834年法国物理学家Peltier：A电子能量高，电子从A流向B，A电位变正，B电位变负。在AB间产生静电势VAB，称为接触电势。解释：材料科学教研室7第二热效应:帕尔贴Peltier效应帕尔贴Peltier效应：Seebeck效应的逆效应。沿AB方向通电流，电子e从低能级向高能级运动，从外界吸收能量，接触点处吸收热量；若反方向通以电流，接触点处要放出热量。这种现象称为帕耳帖效应。材料科学教研室8Peltier效应:帕尔帖热和焦耳热叠加在一起的。焦耳热与电流方向无关，帕尔帖热与电流方向有关。用正反通电法测出Peltier热。吸收或放出的热量QP称为帕尔帖热；PAB称为帕尔帖系数或帕尔帖电势Peltier效应：流过一个接触面的电流在该接触面处产生吸放热的热电效应。材料科学教研室9第三热效应：汤姆逊Thompsom效应同种金属中电流流过一定温度梯度的导体时，产生额外(除焦耳热外)的吸（放）热。I与热流方向一致→放热。1856年，英国物理学家Thompsom:反过来，当一根金属棒两端温度不同时，两端会形成电势差。热电制冷分析中，常忽略汤姆逊效应（微弱）。材料科学教研室10三个热电效应可以在两种金属组成的回路中同时出现。Seebeck效应Thompsom效应Peltier效应热电势、热电流流过同一导体（吸放热）流过接触点（吸放热）材料科学教研室11自然界热电效应明显的物质：明矾石。制造明矾及硫酸钾的来源；提炼铝及造纸/食品加工/净水剂/染料等；空气负离子技术：用具有明显的热电效应的稀有矿物石为原料，加入到墙体材料中，在与空气接触中，发生极化，向外放电，净化室内空气。材料科学教研室12生物的热电效应：鲨鱼：鼻子里一种胶体，把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知到0.001℃细微变化，从而准确地找到食物。材料科学教研室13温差发电：重新成为全球研究的热点，温差发电通过热电转换材料实现。Seebeck效应是温差发电的基础。热电效应的工业应用：燃气灶中熄火保护方式---热电式Peltier散热器（半导体/陶瓷制冷器）。饮水机制冷：半导体致冷器——PTC小型热电制冷器：材料科学教研室14（一）、金属本性(+)Si、Sb、Fe、Me、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Il、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al,石墨,Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi（-）14.2.2影响热电势的因素中间金属定律：串联金属回路的总热电动势只与两端金属有关，与中间串联金属无关（只要串联金属两端温度相同）。热电偶：将两不同金属的一端焊在一起，作为热端，而将另一端分开，并保持恒温。材料科学教研室15影响热电势的因素：（二）合金化：连续固溶体：呈悬链式变化（过渡族不符合）形成化合物：热电势突变.半导体→E↑↑（共价结合加强）多相混合物：位于两相热电势之间；同素异构转变：热电势变化明显。（三）温度：热电势E与接点处的温差成正比；E=at+bt2+ct3(t为热端温度、冷端0℃)材料科学教研室16热电势的应用：（一）温度测量：Pt-铑，Cr-Al热电偶（温差发电）（二）组织变化研究：合金时效、M回火等；（三）钢的成分（不同牌号钢材的鉴别）C%0.040.30.410.570.760.951.05900℃淬火后7431061570795011701308800℃退火后29100420417393378473含C量及热处理对铁—钢热电偶之热电势的影响（μv）材料科学教研室1714.3半导体电性的敏感效应一、热敏效应：T↑→→σ↑二、光敏效应：光照→→σ↑三、压敏效应：电压/压力敏感四、磁敏效应：霍尔效应/磁阻效应半导体导电：导带中的电子、价带中的空穴；电导率受温度、光照影响很大，产生了一些半导体敏感效应。应用：自动控制、测量、信息处理；热敏温度计、电路温度补偿、无触点开关等；光敏电阻器→自动照明；压敏电阻器→过电压吸收，高压稳压、避雷器等。材料科学教研室1814.4介质极化与介电性能14.4.1极化的概念电介质在电场作用下产生感应电荷；材料科学教研室1914.4.2极化的基本形式极化形式：电子极化、离子极化和偶极子转向极化。基本形式：位移式极化、松弛极化和转向极化。1.位移极化：电子云位移→弹性可逆的；2.松弛极化：外加电场克服热运动使质点分布规律化→极化（不可逆，消耗能量）；3.转向极化：极性分子中。外电场使偶极子转向和外电场一致.要克服热运动。材料科学教研室2014.4.3介电常数：介电常数ε：电介质存在时的电容与无介质（真空）时电容的增长倍数。X为电介质材料的极化率，P为极化强度；极板上自由电荷面密度(电位移)D与外电场E：材料科学教研室2114.4.4影响介电常数的因素极化类型介质材料以哪种形式极化，与它们的结构紧密程度相关环境温度频率电场强度非线性关系线性关系应用：电子电工方面，隔直流、绝缘，贮存能量，电容器材料科学教研室22介质损耗在E作用下，电介质中的电能→热能，单位时间发热消耗的能量→损耗功率（介质损耗）介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。电导损耗：极化损耗：电离损耗结构损耗宏观结构不均匀的介质损耗损耗形式材料科学教研室23介质损耗影响因素材料结构：漏导电流、极化机制外界环境：温度：T↑→能量损耗W有一极大值频率：f很小→w=of很大→来不及缓慢极化W=0f较高→F↑→W↑材料科学教研室2414.4.5压电性能压电效应：没有电场作用，由机械应力使电介质晶体产生极化，并形成晶体表面电荷的现象。正压电效应逆压电效应材料科学教研室25压电性能：压电材料的应用：煤气炉、汽车发动机等点火所用的压电点火器电子手表所用的压电谐振器。声控门、报警器和儿童玩具所用的压电蜂鸣器信号处理器、存贮显示器、信号发生器及各类计量测试元件等。压电传感器，如压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器。材料科学教研室2614.4.6铁电性能热释电效应：晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象。一定是具有自发极化(固有极化)的晶体；具有对称中心的晶体不可能有热释电效应；与压电体的要求一致，但具有压电性的晶体不一定就具有热释电性。材料科学教研室27铁电性能在热释电晶体中，某些晶体的自发极化有两个或多个可能的取向，并随电场改变，这种特性称为铁电性，具有这种性质的晶体称为铁电体。铁晶体管：优异性能。许多电光晶体、压电材料就是铁晶体管。铁电体的共同特性为:①具有电滞回线；②具有结构相变温度，即居里点；③具有临界特性；材料科学教研室28铁电、热释电和压电晶体间的关系材料科学教研室2914.5绝缘材料的抗电强度一、介电强度（抗电强度）：电介质承受的最大电场强度。E穿=V穿/dd→击穿处试样厚度；二、击穿形式：a.电击穿：高压，介质电离出新电子→“电子潮”，“雪崩”。足够多的电子超过禁带→导带→击穿b.热击穿：电能→热能→烧裂、熔融；c.化学击穿：腐蚀性气体环境。材料科学教研室30三、影响抗电强度的因素①温度：对电击穿影响不大；加速↑热击穿和化学击穿。②频率：热击穿；材料科学教研室31祝大家考试顺利！。。。。。。全文完！谢谢！