材料物理第五章幻灯片.ppt

5导电物理 在材料的物理性能中，电学性能是一个重要的组成部分，在许多情况下，甚至比力学性能更重要。电能、电信、电器等的开发和发展已经深入到机械、运输、建筑、能源、医疗、通信、计算机以及家庭生活的每一个角落。从大功率发电机、变压器、长距离的电力传输到微电子线路的各种元件，都应用着材料的不同电学性能。 导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等，都是以导电性能为基础的。例如，长距离传输电力的金属导线应具有很高的导电性，以减少由于发热造成的电力损失。陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，以防止产生短路或电弧。作为太阳能电池的半导体对其导电性能要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。 5.1 电阻与导电的基本概念 当在材料两端施加电压U时，材料中有电流I通过，这种现象称为导电现象。由欧姆定律可知材料的电阻大小为 （5-1） 式中： 的单位为V， 的单位为A， 则的单位为Ω。 用电阻 的大小可以评价材料的导电性能，其值不仅与材料的性能有关，还与材料的尺寸有关，因此 （5-2） 式中： 为材料的长度； 为材料的截面积； 为与材料性质有关的系数，称为电阻率。 由于 只与材料的本身性质有关，而与导体的几何尺寸无关，因此在评定不同材料的导电性能时，用 比 更确切。 的单位为Ω·m（欧姆·米）。 在研究材料的导电性能时，还常用电导率 ，其与 的关系为 （5-3） 的单位为Ω-1·m-1或S/m（西门子/米），显然， 值越大， 值越小，说明材料的导电性能愈好。 工程中也用相对电导率（IACS%）表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜（在室温20℃下电阻率 =0.01724Ω·mm2/m）的电导率作为100%，其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。例如，Fe的IACS%为17%，Al的IACS%为65%。 根据材料导电性的好坏，按照 值的大小把材料分为导体、半导体、绝缘体和超导体。 值小于10-5Ω·m为导体材料，其中纯金属的 值为10-8～10-7Ω·m，合金的 值为10-7～10-5Ω·m； 值在10-3～109Ω·m为半导体材料； 值大于109Ω·m为绝缘材料；而超导体的 值小于10-27Ω·m。 虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电性的差异却非常显著，同是金属的Ag的 值为1.46×10-8Ω·m，而Mn的 值为260×10-8Ω·m。导电性最好的材料（如Ag和Cu）和导电性最差的材料（如聚苯乙烯和金刚石）之间的值差别达23个数量级，这些差异与材料的结构、组织、成分等因素有关。 表5-1 部分材料的电导率 5.2 材料的导电机理 对材料导电性物理本质的认识是从金属开始的，首先提出了经典自由电子导电理论，后来随着量子力学的发展，又提出了量子自由电子理论和能带理论。 5.2.1金属及半导体的导电机理 1、经典自由电子理论 经典自由电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀电场，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容器一样，因此可以把价电子看成“电子气”。它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律。在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各方向运动的几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场时，自由电子将沿电场的反方向运动，从而形成了电流。 在自由电子做定向运动过程中，不断会与正离子发生碰撞妨碍电子继续加速，形成电阻。从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平均距离（自由程）为 ，电子平均运动的速度为 ，单位体积内的自由电子数为 ，则电导率为