第一章--材料的导电性

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第一章 材料的导电性,本章目录,1 导电性的基本概念和宏观物理量,2 材料的导电机理分析,3 材料导电性的影响因素及影响规律,4 材料导电性的测量及应,第一节、导电性的基本概念和宏观物理量,不同物质有不同的导电性，如何表征？,长度(m)，时间(s)，质量(kg)，温度(K)，电流(A),光强度单位(cd-坎德拉），物质的量(mol),第一节、导电性的基本概念和宏观物理量,早期的科学家发现，对于同一种材料。电阻的大小与长度成正比，与截面面积成反比。,第一节、导电性的基本概念和宏观物理量,用电阻率已经能够描述不同物质的导电性,能。物理学家们为了增大学渣们学习物,理的难度。又引入一个定义：电导率,第一节、导电性的基本概念和宏观物理量,第二节、材料的导电机理分析,有外加电场,无外加电场,经典自由电子导电理论,基本出发点：,1、价电子是自由的,2、价电子之间没有交互作用,3、价电子和离子实（原子核+内层电子）之间没有交互作用。,4、电子能量满足波尔兹曼分布。,2.1 电子导电的机理分析,经典自由电子导电理论,波尔兹曼分布,2.1 电子导电的机理分析,经典自由电子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,量子导电理论,量子自由电子学说认为：,自由电子在均匀的等势场中以粒子波的形式运动；,电子的能量是量子化的，能级是准连续的；,电子按能级的分布规律遵循费米狄拉克统计分布规律；,价电子（自由电子）中只有一部分电子在受到外部能量的激发跃迁到费米能级以上的允许能级时，才能成为直正意义的自由电子有效电子。,2.1 电子导电的机理分析,量子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,2-1-2 量子导电理论,费米能级,量子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,量子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,量子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,2-1-2 量子导电理论,电子从低能级向高能级排，最后一个被填充的轨道所对应的能量就是,费米能级,。,量子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,绝缘体、半导体、导体,量子导电理论,2.1 电子导电的机理分析,电阻的来源,能带理论认为：能带中的电子可在晶格中自由运动，因此电子波通过理想晶体点阵(0K）时不受散射，电阻为0。电阻的来源：破坏晶格周期性的因素对电子的散射。A.杂质和缺陷（空位、间隙原子、位错、晶界等）。B.声子：晶格振动波的能量子。,2.1 电子导电的机理分析,1908 年在Leiden 大学(荷兰) , 卡茂林 恩涅斯(Kamerlingh Onnes )获得液氦, 并得到了1K 的低温。1911 年他发现在4 .2K附近, 水银的电阻突然降到无法检测的程度。这种在一定的低温条件下, 金属突然失去电阻的现象叫超导电性。发生这种现象的温度称为临界温度, 并以Tc 表示。,2.2 材料的超导现象,2.2 材料的超导现象,2.2 材料的超导现象,迈斯纳效应（完全抗磁性）,2.2 材料的超导现象,临界磁场,2.2 材料的超导现象,三个临界参数,临界温度,临界磁场,临界电流,2.2 材料的超导现象,Josephson 效应,2.2 材料的超导现象,Cooper 电子对,在临界温度以下，两个电子可“组团”形成电子对。组团后的电子通过导体的能力大大加强。,2.2 材料的超导现象,2.2 材料的超导现象,在临界磁场以下，磁通是完全被排斥在超导体之外的，只要磁场高于临界磁场，磁场就完全透入超导体中，材料也恢复正常。,第,类超导材料,超导态向正常态的转变无任何中间态。,存在两个临界磁场（下临界磁场和上临界磁场），材料处于,下临界磁场,时是,完全超导态,，在,下临界磁场和上临界磁场之间,，处于,混合态,。当磁场达到,上临界磁场,时，磁场完全透入材料并完全恢复到有电阻的,正常态,。,第,类超导材料,混合态,外磁场,温度,正常态,超导,2.2 材料的超导现象,2.2 材料的超导现象,超导材料的应用,高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：,（）,大电流,应用（强电应用）；,（）,电子学,应用（弱电应用）；,（）,抗磁性,应用。,2.2 材料的超导现象,发电机的原理,2.2 材料的超导现象,发电机的原理-磁场哪里来？,1、他励,在发动机起动期间，由蓄电池为励磁绕组提供励磁电流，以增强磁场，使发电机在低速转动时电压能迅速上升，从而实现发动机怠速时发电机能向蓄电池充电，这种供给磁场电流的方式称为他励发电。,2、自励,随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并外输出，当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给磁场绕组励磁电流，这种供给磁场电流的方式称为自励。,2.2 材料的超导现象,发电机的原理-磁场哪里来？,在发动机低速运转时交流发电机不能自励发电，所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电压12V以便对蓄电池充电，由发电机自励发电，即交流发电机的励磁方法是先他励后自励。,一台普通大型发电机需用1520吨铜丝绕成线圈，如果用超导材料作线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却一样.,2.2 材料的超导现象,2.2 材料的超导现象,超导发电的优势,由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。,而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。,2.2 材料的超导现象,超导发电机,的,单机发电容量,比,常规发电机,提高510倍，达1万兆瓦，而,体积,却减少1/2，整机,重量,减轻1/3，,发电效率,提高50。,超导发电的优势,2.2 材料的超导现象,超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。,超导输电,2.2 材料的超导现象,能量存储,2.2 材料的超导现象,能量存储,2.2 材料的超导现象,能量存储,2.2 材料的超导现象,超导储能,超导材料没有电阻，它的蓄能效率高。美国已设计并着手建造一个可以储存500万千瓦小时的巨型圈。它的直径有1568米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。,2.2 材料的超导现象,超导计算机,超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。,2.2 材料的超导现象,磁悬浮列车,2.2 材料的超导现象,核领域,核聚变反应时，内部温度高达1亿2亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。,2.2 材料的超导现象,医学方面,超导量子干涉器件可以测量小到,100,亿亿分之一伏特的电压差和,100,亿亿分之一安培的电流,(,每秒仅通过几个电于,),，也可以测量小于,100,万亿分之一特斯拉的磁场,(,仅相自于地磁场的,100,亿分之一,),。,由于脑体和心脏细胞有病变时会改变脑电流和心电流信号，因此可用超导量子干涉器件诊断心脏和脑部的疾病。,磁脑照相术就是利用超导量子器件的这一性能，它可以检测出稍大于,10,万亿分之一特拉斯的脑电信号，并能确定几毫米范围内的神经信号源。因此，超导材料在医学上被称作诊断疾病的“神医”。,2.2 材料的超导现象,军工领域,在军事上，定向武器在未来战争中将起到举足轻重的作用。美国和俄罗斯已经把定向武器的研制放在突出的位置。定向武器就是把能量汇聚成极细的能束，并沿着指定的方向以光速向外发射，从而摧毁目标。,超导储能装置使聚能武器如虎添翼，有如给聚能武器提供了一个机动灵活、容量无比的弹药库，使聚能武器随时可以对敌实施攻击。,第三节、材料导电性的影响因素及规律,能带理论认为：能带中的电子可在晶格中自由运动，因此电子波通过理想晶体点阵(0K）时不受散射，电阻为0。电阻的来源：破坏晶格周期性的因素对电子的散射。A.杂质和缺陷（空位、间隙原子、位错、晶界等）。B.声子：晶格振动波的能量子。,材料因素-原子结构,He（密排六方）不导电,Mg（密排六方）导电,0,0,第三节、材料导电性的影响因素及规律,材料因素-晶体结构,石墨导电,金刚石不导电,0,0,第三节、材料导电性的影响因素及规律,材料因素-晶体缺陷,第三节、材料导电性的影响因素及规律,环境因素-温度,第三节、材料导电性的影响因素及规律,环境因素-压力,第三节、材料导电性的影响因素及规律,环境因素-压力,第三节、材料导电性的影响因素及规律,环境因素-压力,第三节、材料导电性的影响因素及规律,环境因素-压力,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第三节、材料导电性的影响因素及规律,第四节、材料导电性的测量及应用,第四节、材料导电性的测量及应用,第四节、材料导电性的测量及应用,第四节、材料导电性的测量及应用,