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-1-第一章电学性能1.1材料的导电性𝑅=𝜌𝐿𝑆，ρ称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。ρ的倒数σ称为电导率。一、金属导电理论1、经典自由电子理论在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。2、量子自由电子理论金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。0K时电子所具有最高能态称为费密能EF。不是所有的自由电子都参与导电，只有处于高能态的自由电子才参与导电。另外，电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。马基申定则：𝜌=𝜌(𝑇)+𝜌´，总的电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于𝜌(𝑇)，而在低温时则决定于残余电阻𝜌´。3、能带理论能带：由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。图1-1(a)、(b)、(c)，如果允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，具有这种能带结构的材料就是导体。图1-1(d)，若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即便是禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体。-2-图1-1(e)，半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不像绝缘体那么困难，满带中的电子受热振动等因素的影响，能被激发跳过禁带而进入上面的空带，在外电场作用下空带中的自由电子产生电流。图1-1能带填充情况示意图(a)、(b)、(c)金属；(d)绝缘体；(e)半导体温度对材料导电性的影响：温度升高使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大，这些因素都使电子运动的自由程减小，散射几率增加而导致电阻率增大。二、无机非金属导电机理电导：材料在电场作用下产生漏电电流。载流子：对材料来说，只要有电流就意味着有带点粒子的定向运动，这些带点粒子称为载流子。金属材料电导的载流子是自由电子；无机非金属材料电导的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。载流子是电子或电子空穴的电导称为电子式电导，载流子是离子或离子空位的电导称为离子式电导。本征电导：离子电导源于晶体点阵中基本离子的运动。杂质电导：离子电导是结合力比较弱的离子运动造成的，这些离子主要是杂质。1.2半导体的电学性能一、本征半导体的电学性能本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。电学特性：(1)本征激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni；(2)禁带宽度Eg越大，载流子浓度ni越小；-3-(3)温度升高时载流子浓度ni增大；(4)载流子浓度ni与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。二、杂质半导体的电学性能1、n型半导体概念：在本征半导体中掺入五价元素的杂质（磷、砷、锑）的半导体。结构：掺入五价元素后，可以使晶体中的自由电子浓度极大地增加，这是因为五价元素的原子有五个价电子，当它顶替晶格中的一个四价元素的原子时，它的四个价电子与周围的四个硅（或锗）原子以共价键相结合后，还余下了一个价电子变成多余的。多子：在n型半导体中，自由电子的浓度大（1.5*1014cm-3），故自由电子称为多数载流子，简称多子。少子：n型半导体中的空穴称为少数载流子，简称少子。在电场作用下，n型半导体中的电流主要由多数载流子——自由电子产生，也就是说，它是以电子电导为主。2、p型半导体概念：在本征半导体中掺入三价元素（硼、铝、镓、铟）的杂质半导体。结构：三价元素的原子只有三个价电子，当它顶替晶格中的一个四价元素原子，并与周围的四个硅（或锗）原子组成四个共价键时，必然缺少一个价电子，形成一个空位置。在电场作用下，p型半导体中的电流主要由多数载流子——空穴产生，即它是以空穴导电为主。3、杂质半导体的特点(1)掺杂浓度与原子密度相比虽然很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强，掺杂浓度越大，其导电能力也越强。(2)掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素时，主要靠空穴导电。三、金属和半导体的电阻随温度变化规律不同点阵振动的声子散射：由于点阵振动使原子间距发生变化而偏离理想周期排列，引起禁带宽度的空间起伏，从而使载流子的势能随空间变化，导致载流子的散射。显然，温度越高振动越激烈，对载流子的散射越强，迁移率下降。电离杂质散射：由于随温度升高载流子热运动速度加大，电离杂质的散射作用也就相对减弱，导致迁移率增加。-4-1.3绝缘体的电学性能绝缘体：一般是指电阻率大于1010Ω·m、用来限制电流流动的材料。评价电介质的主要电学性能指标有介电常数、耐电强度、损耗因素、体电阻率和表面电阻率。一、电介质的介电常数当极板间为真空时，平板电容器的电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系为𝐶0=𝘀0𝑆𝑑，C0、𝘀0分别为真空下的电容和介电常数，𝘀0=8.85×10−2𝐹∙𝑚.当极板间存在电介质时的介电常数为静态介电常数。带有电介质的电容C与无电介质（真空）的电容C0之比称为电介质的相对介电常数εr。极化强度𝑃=𝘀0(𝘀𝑟−1)𝐸，不仅随外电场强度E升高而增加，而且取决于材料的相对介电系数𝘀𝑟。复介电常数𝘀∗=𝘀´−𝘀´´，实部𝘀´=𝘀𝑠𝑐𝑜𝑠𝛿；虚部𝘀´´=𝘀𝑠𝑠𝑖𝑛𝛿.介电强度：当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态，这一突变现象称为电介质的击穿，发生击穿时的电场强度即为介电强度。二、电介质的极化电介质按其分子中正负电荷的分布状况可以分为中性电介质、偶极电介质和离子型电介质。极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性唯一现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。介质极化的基本形式(1)电子式极化：在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电偶极矩而使介质极化的现象。电子位移极化的形成过程很快，外电场消失后会立即恢复原状，不消耗任何能量。(2)离子式极化：在离子晶体中，除离子中的电子要产生位移极化外，处于点阵结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化。(3)偶极子极化：偶极分子在无外电场时就有一定的电偶极矩p，当有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电偶极矩，形成极化。(4)空间电荷极化：在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并积累。-5-三、电介质的介电损耗介质损耗：电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量。漏导电流：在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流称为漏导电流。漏导损耗：漏导电流流经介质时使介质发热而消耗了电能，这种因电导而引起的介质损耗称为漏导损耗。极化损耗：除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化（例如松弛极化、空间电荷极化等）在极化缓慢建立的过程中都会因客服阻力而引起能量的损耗，这种损耗一般称为极化损耗。1.4超导电性超导电性：在一定的低温条件下材料电阻突然失去的现象。材料有电阻的状态称为正常态，失去电阻的状态称为超导态，材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度。超导体的三个性能指标：完全导电性、完全抗磁性和通量量子化。评价超导体的三个性能指标：临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc。临界磁场强度：破幻超导态的最小磁场。临界电流密度：保持超导态的最大输入电流。超导现象的物理本质：超导现象产生的原因是由于超导体中的电子在超导态时电子之间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力。这种特殊吸引力使电子双双结成电子对，电子对在材料中规则地运动时，如果碰到物理缺陷、化学缺陷或热缺陷，而这种缺陷所给予电子的能量变化又不足以使“电子对”破坏，则此“电子对”将不损耗能量，即在缺陷处电子不发生散射而无障碍地通过，这时电子运动的非对称分布状态将继续下去。-6-第二章磁学性能1.1磁性基本量及磁性分类一、磁化现象和磁性的基本量磁化：任何物质处于磁场中，均会使其所占的空间的磁场发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性，这种现象称为磁化。磁化强度M：单位体积的磁矩。磁化率χ：磁化强度M与磁场强度H之比，表征磁介质属性的物理量。磁导率μ：磁感应强度B与磁场强度H之比，表征磁介质磁性的物理量。磁感应强度B：通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度。二、物质磁性的分类图2-1五类磁体的磁化曲线示意图(1)抗磁体：磁化率为很小的负数，它们在磁场中受微弱斥力，金属约有一半简单金属是抗磁体。(2)顺磁体：磁化率为正值，它们在磁场中受微弱吸力。(3)铁磁体：在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度，磁化率是很大的正数，且M或B与外磁场强度H呈非线性关系变化。铁磁体在温度高于某临近温度后变成顺磁体，此临近温度称为居里温度或居里点。(4)亚铁磁体：类似于铁磁体，但磁化率没有铁磁体那么大。(5)反铁磁体：磁化率是很小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率随温度升高而增大，高于这个温度，其行为像顺磁体。三、磁化曲线和磁滞回线饱和磁化强度Ms：随磁化场的增加，磁感应强度B开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再缓慢地增加，最后当磁场强度达到Hs时，磁化至饱和，此时-7-的磁化强度称为饱和磁化强度，对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs图2-2铁的磁滞回线磁滞：铁磁材料从退磁状态被磁化至饱和的技术磁化过程中存在着不可逆过程，即从饱和磁化状态降低磁场H时，磁感应强度B将不沿着原磁化曲线下降而是沿bc缓慢下降，这种现象称为“磁滞”。剩余磁感应强度：当外磁场降为0时，得到不为零的磁感应强度Br，称为剩余磁感应强度。矫顽力：要将B减小到0，必须加一反向磁场-Hc，该反向磁场值称为矫顽力。bc段：退磁曲线；bcdefgb：磁滞回线软磁材料：矫顽力Hc很小而磁化率χ很大的材料。硬磁材料：Hc大而χ小的材料。矩磁材料：某些磁滞回线趋于矩形的材料。2.2抗磁性和顺磁性一、原子本征磁矩原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子的自旋磁矩和原子核磁矩三部分。原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，即本征磁矩。二、抗磁性在磁场中电子绕中心核的运动只不过是叠加了一个电子进动（拉莫尔进动），如果绕核的平均电子流起初为零，施加磁场后的拉莫尔进动会产生一个不为零的绕核电子流，这个电流等效于一个方向与外加场相反的磁矩，因而产生了抗磁性。物质的抗磁性是由外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的。三、顺磁性材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生顺磁性的条件：原子的固有磁矩不为零——具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；内壳层未被-8-填满的原子或离子。四、金属的抗磁性和顺磁性金属的磁性要从以下四个方面考虑：正离子的顺磁性、正离子的抗磁性、自由电子的顺磁性和自由电子的抗磁性。正离子的抗磁性来源于其电子的轨道运动，正离子的顺磁性来源于原子的固有磁矩，自由电子的顺磁性来源于电子的自旋磁矩，电子运动都产生抗磁磁矩。2.3铁磁