部分第十章材料的电学性能.ppt

《部分第十章材料的电学性能.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《部分第十章材料的电学性能.ppt（138页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、1 材料的电学性能用处很多，材料的电学性能用处很多，我们一定要学会材料的导电我们一定要学会材料的导电机理、影响因素以及它们的机理、影响因素以及它们的测量方法并测量方法并运用到实际生产运用到实际生产中中，让我们的生活更加丰富，让我们的生活更加丰富多彩。多彩。2本章讲授的内容本章讲授的内容v1.导电性能导电性能v2.热电性能热电性能v3.半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应v4.介质极化与介电常数介质极化与介电常数v5.电介质的介质损耗电介质的介质损耗v6.绝缘材料绝缘材料3第一节第一节 导电性能导电性能本节教学内容本节教学内容v电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念v导电机理导电机理

2、v超导电性超导电性v影响材料导电性的因素影响材料导电性的因素v导电性的测量及应用导电性的测量及应用41.1 1.1 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念v1.1.1 1.1.1 电阻率电阻率v1.1.2 1.1.2 电导率电导率电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征材料导电性的尺度。材料导电性的尺度。51.1.3 根据材料导电性能好坏，可把材料分为：根据材料导电性能好坏，可把材料分为：v导体导体v半导体半导体v绝缘体绝缘体:1010-2-2mm:

3、10:10-2-2m m 10 101010mm:10 101010mmv不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构与导电本质所决定的。与导电本质所决定的。6一、导电材料一、导电材料白川英树白川英树黑格黑格麦克迪尔米德麦克迪尔米德导电高分子材料导电高分子材料7二、绝缘材料二、绝缘材料导热绝缘材料导热绝缘材料陶瓷系列插座陶瓷系列插座电工绝缘胶带电工绝缘胶带8三、半导体材料三、半导体材料CPU CPU(Central Processing Unit)(Central Processing Unit)91.2 导电机理导电机理 1.2.1 1.2.1 金

4、属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理1.2.1.1 1.2.1.1 经典电子理论经典电子理论 1900年特鲁德（）首先提出用金属中自由电子年特鲁德（）首先提出用金属中自由电子的运动来解释金属导电性问题，以后洛伦兹进一步的运动来解释金属导电性问题，以后洛伦兹进一步发展了特鲁德的概念，建立了金属的经典电子理论。发展了特鲁德的概念，建立了金属的经典电子理论。洛洛仑仑兹兹101.1.金属导电的经典电子理论的基本框架金属导电的经典电子理论的基本框架金属导电的经典电子理论的基本框架金属导电的经典电子理论的基本框架v金属中的正离子按一定的方式排列为金属中的正离子按一定的方式排列为晶格晶格；v从原子中分

5、离出来的外层电子成为从原子中分离出来的外层电子成为自由电子自由电子；v在电场作用下，大量自由电子的在电场作用下，大量自由电子的定向定向漂移形成漂移形成电流。电流。v自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形成自由成自由电子气电子气；v在自由电子定向运动过程中，不断与正离子碰在自由电子定向运动过程中，不断与正离子碰撞，形成电阻。撞，形成电阻。11+2.金属中的离子与自由电子示意图金属中的离子与自由电子示意图123.3.金属中的自由电子在电场中的运动金属中的自由电子在电场中的运动金属中的自由电子在电场中的运动金属中的自由电子在电场中的运动v大量自由电子的大量自

6、由电子的统计平均统计平均，就是以平均定向漂移速度，就是以平均定向漂移速度 逆着电场线漂移。逆着电场线漂移。v当金属中有电场时，每个自由电子都因受到电场力的作当金属中有电场时，每个自由电子都因受到电场力的作用而加速，即在无规则的热运动上叠加一个用而加速，即在无规则的热运动上叠加一个定向定向运动。运动。v自由电子在运动过程中频繁地与晶格碰撞，碰后电子向自由电子在运动过程中频繁地与晶格碰撞，碰后电子向各个方向运动的几率相等。因此可认为每个电子在相邻各个方向运动的几率相等。因此可认为每个电子在相邻两次碰撞间做初速为零匀加速直线运动。两次碰撞间做初速为零匀加速直线运动。134.4.4.4.从金属的电子理

7、论导出欧姆定律的微分形式从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式设导体内的恒定场强为设导体内的恒定场强为，则电子的加速度为，则电子的加速度为电子两次碰撞的时间间隔为电子两次碰撞的时间间隔为t，上次碰撞后的初速，上次碰撞后的初速度为度为，则，则统计平均后，初速度的平均值为零，则统计平均后，初速度的平均值为零，则平均时间间隔等于平均自由程除以平均速率平均时间间隔等于平均自由程除以平均速率14则平均漂移速度则平均漂移速度电流密度为电流密度为其中，电导率为：其中，电导率为：u从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形从金属的经典

8、电子理论导出了欧姆定律的微分形式，而且得到了电导率的表达式。式，而且得到了电导率的表达式。u从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成正比，与电子的平均自由程成正比。正比，与电子的平均自由程成正比。155.5.金属的经典电子理论的缺陷金属的经典电子理论的缺陷金属的经典电子理论的缺陷金属的经典电子理论的缺陷u 按照气体动力学，电阻率应与热力学温度的按照气体动力学，电阻率应与热力学温度的平方根平方根成正比，成正比，但实验结果电阻率与热力学温度成正比。但实验结果电阻率与热力学温度成正比。u金属的经典电子理论的主要缺陷是把适用于宏观物体的牛顿金属的经典电子理论

9、的主要缺陷是把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性。承认能量的连续性。u 根据此理论，自由电子数量越多导电性应当越好，事实却根据此理论，自由电子数量越多导电性应当越好，事实却 是二、三价金属的价电子虽比一价金属的多，但导电性反而是二、三价金属的价电子虽比一价金属的多，但导电性反而 比一价金属的差。比一价金属的差。u 这一理论不能解释超导现象的产生这一理论不能解释超导现象的产生。161.2.1.2 量子自由电子理论量子自由电子理论v 物理学家物理学家普朗克普朗克发现，能量的传递不是连续的，而是发现，能量的传递不是连续的，而是以一个一

10、个的能量单位传递的。这种最小能量单位被称作以一个一个的能量单位传递的。这种最小能量单位被称作能量子（简称量子）。能量子（简称量子）。v 在现代量子理论中，任何物质都有波动性和粒子性。在现代量子理论中，任何物质都有波动性和粒子性。而且位置和速度都不可能同时被准确的测量，只能用概而且位置和速度都不可能同时被准确的测量，只能用概率来描述。量子论认为：正离子形成的电场是均匀的；率来描述。量子论认为：正离子形成的电场是均匀的；价电子具有不同的能级价电子具有不同的能级。“量子理论量子理论”之父之父 1918 1918年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。17v运动着的电子作为运动着的电子作为物质波物质波，其频率和波

11、长与电，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间有如下关系：子的运动速度或动量之间有如下关系：v一价金属中自由电子的动能：一价金属中自由电子的动能：E=mvE=mv2 2/2/2为常数为常数称为称为波数频率波数频率表征金属中自由表征金属中自由电子可能具有的电子可能具有的能量状态的参数能量状态的参数181.没加电场时没加电场时E-K关系曲线关系曲线曲线对称分布：沿曲线对称分布：沿正、反方向运动的正、反方向运动的电子数量相同，没电子数量相同，没有电流产生。有电流产生。v从粒子的观点看，曲从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能线表示自由电子的能量与速度（动量）之量与速度（动量）之间的关系。间的关系。v从

12、波动的观点看，曲从波动的观点看，曲线表示电子的能量和线表示电子的能量和波数之间的关系。波数之间的关系。价电子具有价电子具有不同的能量不同的能量状态状态192.电场对电场对E-K关系曲线的影响关系曲线的影响外电场使向着其正向运动的外电场使向着其正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高。由于能量变电子能量升高。由于能量变化，使部分能量较高的电子化，使部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电。不等，使金属导电。也就是说，也就是说，不是所有的电子不是所有的电子都参与导电，而是只有处于

13、都参与导电，而是只有处于较高能级的电子参与导电较高能级的电子参与导电。203.量子自由电子理论电阻的产生量子自由电子理论电阻的产生v实际金属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态点实际金属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子波造阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子波造成散射而形成电阻。成散射而形成电阻。v而对于一个纯的理想的完整晶体，而对于一个纯的理想的完整晶体，0K时，电子波的时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的谓的超导超导现象。现象。v离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格点，离

14、子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格散射。这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格散射。214.量子自由电子理论导出的电导率量子自由电子理论导出的电导率22v根据能量按自由度均分原理，晶格振动时的平均根据能量按自由度均分原理，晶格振动时的平均势能势能与绝对与绝对温度成正比，即有：温度成正比，即有：v容易想象温度越高，容易想象温度越高，x2越大越大振幅振幅愈大，振动愈激烈，因而对愈大，振动愈激烈，因而对周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与与x2成正比，可得出：成正比，可得出：RRpxpx2

15、 2TT。即电阻。即电阻R与绝对温度与绝对温度T成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的困难。困难。235.量子自由电子理论的局限性量子自由电子理论的局限性v此理论虽然较好地解释了金属导电的本质，此理论虽然较好地解释了金属导电的本质，但它假定金属中的离子所产生的势场是均但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的，与实际情况有一定的差距。匀的，与实际情况有一定的差距。241.2.1.3 能带理论能带理论 v单个原子的能级是分立的，当固体中单个原子的能级是分立的，当固体中N N个原子紧密排列时，个原子紧密排列时，外层电子就不再仅受原来所

16、属原子的作用，还要受到其他外层电子就不再仅受原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用原子的作用,这使原来同一大小的能级彼此数值上就有小这使原来同一大小的能级彼此数值上就有小的差异。的差异。v原子结合成晶体时，原子最外层的价电子受束缚最弱，它原子结合成晶体时，原子最外层的价电子受束缚最弱，它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用，已很难区同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用，已很难区分究竟属于哪个原子，实际上是被晶体中所有原子所共有，分究竟属于哪个原子，实际上是被晶体中所有原子所共有，称为称为共有化共有化。原子间距减小时，孤立原子的每个能级将演。原子间距减小时，孤立原子的每个能级将演化成

17、由密集能级组成的化成由密集能级组成的准连续能带准连续能带。25v金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的分子轨道间的能量差别很小。分子轨道间的能量差别很小。v上述分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属上述分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子能级发生的重叠，这种能带是属于整个金属晶体原子的电子能级发生的重叠，这种能带是属于整个金属晶体的。每个能带可包括许多相近的能级，因而每个能带会包括的。每个能带可包括许多相近的能级，因而每个能带会包括相当大的能量范围。相当大的能量范围。26u同自由电子理论一样，也认

18、为金属中的价电子是同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子是公有化和能量是量子化的，公有化和能量是量子化的，所不同的是，它认为所不同的是，它认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的金属中由离子所造成的势场不是均匀的，而是呈，而是呈周期性变化的，能带理论就是研究金属中的价电周期性变化的，能带理论就是研究金属中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题的。子在周期势场作用下的能量分布问题的。u电子在周期势场中运动，随着位置的变化，它的电子在周期势场中运动，随着位置的变化，它的能量也呈周期变化，即接近正离子时势能降低，能量也呈周期变化，即接近正离子时势能降低，离开时势能增高。这样离开时势能增高。这样价电子

19、在金属中的运动就价电子在金属中的运动就不能看成是完全自由的不能看成是完全自由的。27v由于周期场的影响，使得价电子在金属中以由于周期场的影响，使得价电子在金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，有些能态是电子不能取值的。说，有些能态是电子不能取值的。2.能带结构和导电机理能带结构和导电机理28由右图可以看到：由右图可以看到：当当-K1KRLi+，在外电场的作用下，碱金属离子移，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，动时，Li+离子留下的空位比离子留下的空位比K+留下的空位小，留下的空位小，K+只能通过本身的空位；只能通过本身的空位；Li+进入大体积

20、空位，产生应力，不稳定，只能进进入大体积空位，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定；入同种离子空位较为稳定；大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动；子的运动；相互干扰的结果使电导率大大下降。相互干扰的结果使电导率大大下降。70玻璃中玻璃中SiO2被其它氧化物置换的效应被其它氧化物置换的效应2.2.压碱效应：压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。这种效应越强。原因：

21、二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结原因：二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，堵塞迁移通道，使碱金属离子移动困难，电导率降低。构，堵塞迁移通道，使碱金属离子移动困难，电导率降低。713.多晶多相材料的电导多晶多相材料的电导相组成：相组成：晶粒、晶界、玻璃相、气孔、晶粒、晶界、玻璃相、气孔、相组成的导电性：相组成的导电性：玻璃相、微晶相（缺陷多）电导率较高。玻璃相、微晶相（缺陷多）电导率较高。气孔电导率小，但是如果气孔形成通道，环境中的水气孔电导率小，但是如果气孔形成通道，环境中的水份、杂质易进入，对电导有影响。份、杂质易进入，对电导有影响。721.3 超导体

22、超导体v1911年荷兰物理学家年荷兰物理学家Kamerlingh Onnes发现了汞冷却到发现了汞冷却到4K（液（液氦温度）氦温度）时具有零电阻时具有零电阻。v这种在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性。这种在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性。v超导体是等电位的，超导体内没有电场（只有电流而没有电阻）。超导体是等电位的，超导体内没有电场（只有电流而没有电阻）。v两个基本特征，三个性能指标两个基本特征，三个性能指标731.3.1 超导体的发展历程超导体的发展历程v超导体的发展主要在提高临界温度，已知有超导体的发展主要在提高临界温度，已知有28种元素的单质可呈现超导

23、态，其中铌的临种元素的单质可呈现超导态，其中铌的临界温度最高（界温度最高（9.13K),后来人们发现许多合金后来人们发现许多合金可呈超导态，其中可呈超导态，其中1977年发现的年发现的Nb3Ge,Tc高高达达23K，是其中最高，是其中最高Tc者。者。74v1986年年4月月IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的公司瑞士苏黎世研究实验室的和发现镧钡铜和发现镧钡铜的复合氧化物在的复合氧化物在30K显示超导性，激起超导热。显示超导性，激起超导热。v1987年年2 月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制成功月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制成功YBa3Cu3O7,其转变温度在其转变温度在90K，进入了液

24、氮温度区，进入了液氮温度区，v1988年研制出了转变温度为年研制出了转变温度为125K的新型超导材料的新型超导材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10.v甚至还有达到甚至还有达到140K报道。报道。75v1933年，年，Meissner发现超导态跟零电阻现象共存的超导体发现超导态跟零电阻现象共存的超导体的全抗磁现象。若取一磁铁放在超导体上方，磁铁将神奇的全抗磁现象。若取一磁铁放在超导体上方，磁铁将神奇地悬浮其上方，这便是磁悬浮现象。地悬浮其上方，这便是磁悬浮现象。761.3.2 超导体的两个基本特征超导体的两个基本特征v1.完全导电性完全导电性v2.完全抗磁性（迈斯纳效应）完全抗磁性（迈斯纳效应）v

25、处于超导状态的金属，处于超导状态的金属，内部磁感应强度始终内部磁感应强度始终为零。为零。v原来处于正常态的样原来处于正常态的样品变成超导体时，也品变成超导体时，也会把原来的体内磁场会把原来的体内磁场完全排出去。完全排出去。771.3.3 超导体的超导体的3个指标个指标v超导材料有三个关键的临界值，即临界温度超导材料有三个关键的临界值，即临界温度Tc、临、临界电流密度界电流密度Jc和临界磁场和临界磁场Hc，这三个临界值越高，这三个临界值越高，超导体的实用价值越大。超导体的实用价值越大。1.1.临界转变温度临界转变温度T Tc c：超导体温度低于：超导体温度低于T Tc c时，便出现时，便出现了完

26、全导电和迈斯纳效应。超导体的临界温度越高了完全导电和迈斯纳效应。超导体的临界温度越高越好，越有利于应用。越好，越有利于应用。78 2.临界磁场临界磁场Hc：当：当TTc时，将超导体放入磁场，如时，将超导体放入磁场，如果磁场强度高于临界磁场强度，则磁力线穿入超导果磁场强度高于临界磁场强度，则磁力线穿入超导体，超导体被破坏而成为正常态，体，超导体被破坏而成为正常态，Hc随温度降低而随温度降低而增加。超导体的这个关系是抛物线：增加。超导体的这个关系是抛物线：u 临界磁场就是能破坏超导态的最小磁场，它与超导材料临界磁场就是能破坏超导态的最小磁场，它与超导材料 的性质有关。的性质有关。793.临界电流密

27、度临界电流密度J Jc c：如果输入电流所产生的磁：如果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过场与外磁场之和超过H Hc c，则超导态被破坏，则超导态被破坏，这时输入的电流为临界电流这时输入的电流为临界电流I Ic c，相应的电流，相应的电流密度称为临界电流密度密度称为临界电流密度J Jc c。808182点阵畸变点阵畸变造成的残造成的残留电阻留电阻83v大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约然增大约1-2倍。这是由于原子长程排列被破倍。这是由于原子长程排列被破坏，从而加强了对电子的散射所引起的。坏，从而加强了对电子的散射所引起的。v但如金属锑、铋、

28、镓等固态时为层状结构，但如金属锑、铋、镓等固态时为层状结构，主要为共价键型晶体结构，在熔化时共价键主要为共价键型晶体结构，在熔化时共价键被破坏，转为以金属键结合为主，导电电子被破坏，转为以金属键结合为主，导电电子数增加，故使电阻率下降。数增加，故使电阻率下降。84由于冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是由于冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀性而加剧对电磁空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀性而加剧对电磁波散射，从而造成电阻率加大。波散射，从而造成电阻率加大。拉应力使金属原子间距增大，点阵动拉应力使金属原子间距增大，点阵动畸变增大，电阻率

29、上升。反之下降。畸变增大，电阻率上升。反之下降。85再结晶退火可以消除形变时造成的点阵畸变和再结晶退火可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷，从而使电阻恢复到变形前的水平。晶体缺陷，从而使电阻恢复到变形前的水平。淬火可以保留高温时造成的点阵畸变和淬火可以保留高温时造成的点阵畸变和晶体缺陷，从而使金属电阻率升高。晶体缺陷，从而使金属电阻率升高。86其中：其中：为百分之一溶质量比的附加电阻率。为百分之一溶质量比的附加电阻率。87v马基申定律指出，合金电阻有两部分组成：马基申定律指出，合金电阻有两部分组成：1.溶剂的电阻，它随着温度升高而增大；溶剂的电阻，它随着温度升高而增大；2.溶质引起的附加电阻

30、，它与温度无关，只与溶质引起的附加电阻，它与温度无关，只与溶质原子的浓度有关。溶质原子的浓度有关。8889R RX XR R1 1R R2 2R R4 4G G9091929394959697第二节第二节 热电效应热电效应98991001012.3.1 对帕尔帖效应的物理解释是：对帕尔帖效应的物理解释是：v电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从能量；相反，从低能级向高能

31、级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。热的形式吸收或放出。1022.3.2 帕尔帖热的测量帕尔帖热的测量v先从一个方向通入电流，测的热量先从一个方向通入电流，测的热量QJ+Qp（放热）。然后再从另外一个方向通入电流，（放热）。然后再从另外一个方向通入电流，测的热量为测的热量为QJ-Qp（吸热），二者只差就是（吸热），二者只差就是2Qp，则可得出帕尔帖热。，则可得出帕尔帖热。103对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体组成的电偶型半导体组成的电偶104105v1909年开始研究热点转换效率，目前热点材年开始研究热点转换效率，

32、目前热点材料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机制中。制中。106第三节、半导体导电的敏感效应第三节、半导体导电的敏感效应v半导体的导电性受到环境的影响很大，产生半导体的导电性受到环境的影响很大，产生了一些半导体敏感效应。了一些半导体敏感效应。热敏效应热敏效应光敏效应光敏效应压敏效应压敏效应磁敏效应磁敏效应霍尔效应霍尔效应磁阻效应磁阻效应107热敏变色油墨热敏变色油墨PTC热敏电阻热敏电阻热敏温度计热敏温度计温度补偿器温度补偿器108红外光敏电阻器：红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，

33、广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护

34、装置和给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。报警器，光电跟踪系统等方面。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：光敏电阻器：紫外光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。探测紫外线。109避雷器避雷器压敏电阻压敏电阻压敏效应压敏效应压力敏感压力敏感电压敏感电压敏感110如果磁场方向与

35、导体中电流方向如果磁场方向与导体中电流方向垂垂直，则在与磁场和电流二者垂直直，则在与磁场和电流二者垂直的的方向上出现横向电势差，这一现方向上出现横向电势差，这一现象象称之为霍耳称之为霍耳效应效应。霍耳效应霍耳效应磁阻效应磁阻效应+如果在电流垂直的方向施加磁场如果在电流垂直的方向施加磁场会使电流密度降低，电阻增大。会使电流密度降低，电阻增大。111霍尔传感器霍尔传感器如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉

36、冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。出的脉冲数，则可以确定其运动速度。电子眼电子眼112其他敏感效应其他敏感效应v气敏电阻；光磁效应；热磁效应；热电效应气敏电阻；光磁效应；热磁效应；热电效应113第四节、介质极化与介电性能第四节、介质极化与介电性能v介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为介质的为介质的极化极化。这种材料叫。这种材料叫电介质电介质。v等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称为为电偶

37、极子电偶极子，电荷和位移的乘积称为这个系，电荷和位移的乘积称为这个系统的统的电偶极矩电偶极矩。10.4.1极化的概念极化的概念114v非极性粒子非极性粒子正负电荷中心重合，在外电场的正负电荷中心重合，在外电场的作用下形成电偶极子。作用下形成电偶极子。v极性粒子极性粒子本身具有一定的电偶极矩，在外电本身具有一定的电偶极矩，在外电场的作用下定向排列。场的作用下定向排列。电介质粒子分为极性和非极性两类电介质粒子分为极性和非极性两类115真空真空+E+自由电荷自由电荷+偶极子偶极子束缚电荷束缚电荷(1)具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象10.4.1.1极化现象及其

38、物理量极化现象及其物理量116偶极子的产生有两种基本形式：偶极子的产生有两种基本形式：第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。包括：电子位移极化、离子位移极化。包括：电子位移极化、离子位移极化。2 2 极化机制极化机制第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间时间,且是非弹性的，需要消耗一定的能量。且是非弹性的，需要消耗一定的能量。包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化117118119（3）松弛极化松弛极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶松弛

39、质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。极子。松弛极化：松弛质点松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，由于热运动使之分布混乱，电电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定，需吸收一定的能量的能量（10-21010-9-9S S ），），是一种是一种非可逆过程非可逆过程。120电子松弛极化：电子松弛极化：材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能材料中弱束缚电子在晶格热振动

40、下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阴离子结点移到处于激发态的电子连续地由一个阴离子结点移到另一个阴离子结点；电场使移动具有方向性；另一个阴离子结点；电场使移动具有方向性；极化建立时间为极化建立时间为1010-2-21010-9-9 s s。电场频率高于。电场频率高于10109 9HzHz时，电子松弛极化就不存在。时，电子松弛极化就不存在。121在玻璃态材料、结构松散的离子晶体或晶体中的在玻璃态材料、结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易

41、于活化迁移，称为迁移，称为弱联系离子弱联系离子，此迁移为不可逆过程。，此迁移为不可逆过程。极化建立时间为极化建立时间为1010-2-21010-5-5 s s。当频率在。当频率在10106 6HzHz以上以上时离子松弛极化对电极化强度就无贡献。时离子松弛极化对电极化强度就无贡献。离子松弛极化率与温度成反比，离子松弛极化率与温度成反比，故温度越高，热故温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。离子松弛极化离子松弛极化122（4 4）转向极化：转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发

42、生转向，趋于和外加电场方向一致，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。表现为宏观偶极矩。极化率极化率比电子高得多，建立时间：比电子高得多，建立时间：1010-2-21010-10-10 s s123（5）空间电荷极化：）空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化

43、。由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，空间电荷减小。子容易扩散，空间电荷减小。极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。-+-+-+外电场外电场P124空间电荷极化空间电荷极化松弛极化松弛极化取向极化取向极化离子极化离子极化电子极化电子极化工频工频声频声频无线电无线电红外红外紫外紫外极极化化率率或或 极化率和介电

44、常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系125各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电极化的电介质种类介质种类极化的频极化的频率范围率范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移电子位移极化极化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移离子位移极化极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛离子松弛极化极化离子不紧离子不紧密的材料密的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子松弛电子松弛极化极化高价金属高价金属氧化物氧化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极

45、化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷空间电荷极化极化结构不均结构不均匀的材料匀的材料直流直流低频低频随温度升高随温度升高而减小而减小有有126介电常数v介电常数：反映电介质极化行为的宏观物理：反映电介质极化行为的宏观物理量，表示电容器在有电介质时的电容与在真量，表示电容器在有电介质时的电容与在真空状态中的电容相比较的倍数。空状态中的电容相比较的倍数。真空真空+E+电位移电位移D127128129 第五节电解质的介质损耗第五节电解质的介质损耗 介电损耗：介电损耗：在电场作用下，在单位时间在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的内因

46、发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，是电介质重要品质指标。损耗功率，是电介质重要品质指标。130 介质损耗介质损耗原因有以下几种：原因有以下几种：vv电导损耗：电导损耗：电介质漏电流产生的热损耗。电介质漏电流产生的热损耗。131v极化损耗极化损耗：任何电介质在电导或极化过程：任何电介质在电导或极化过程中，带电质点移动时，由于与外电场作用中，带电质点移动时，由于与外电场作用不同步，因而吸收了电场能量并把它传给不同步，因而吸收了电场能量并把它传给周围的周围的“分子分子”，使电能转变为，使电能转变为“分子分子”的热振动能，把能量消耗在电介质发热效的热振动能，把能量消耗在电介质发热效应上。一般用应上

47、。一般用松弛时间松弛时间来表示不同步程度。来表示不同步程度。极化损耗包括驰豫极化损耗包括驰豫损耗和共振损耗。损耗和共振损耗。132时间时间介电松弛或弛豫示意图介电松弛或弛豫示意图VQ理想电介理想电介质质IVQ实际电介实际电介质质I133vv电离损耗电离损耗：由气体引起，含气孔的电介质：由气体引起，含气孔的电介质中气体电离吸收能量。中气体电离吸收能量。正常情况下，气体的耐电压能力比绝正常情况下，气体的耐电压能力比绝缘体低，电容率小，气孔中的气体容易游缘体低，电容率小，气孔中的气体容易游离。电离损耗发热膨胀可能导致绝缘物的离。电离损耗发热膨胀可能导致绝缘物的热破坏。热破坏。134 结构损耗：结构损耗：与介质内部结构紧密度与介质内部结构紧密度相关的损耗。相关的损耗。内部结构紧密的晶体损耗小；内部结构紧密的晶体损耗小；内部结构松散的损耗大；内部结构松散的损耗大；宏观结构不均匀也会造成损耗。宏观结构不均匀也会造成损耗。135136v在强电场工作的绝缘材料，所承受的电压超过在强电场工作的绝缘材料，所承受的电压超过一定临界值一定临界值V穿穿便丧失绝缘性能，这种现象称为便丧失绝缘性能，这种现象称为击穿击穿。第六节第六节电介质的抗电强度电介质的抗电强度137v击穿形式：电击穿；热击穿；化学击穿击穿形式：电击穿；热击穿；化学击穿138