导电物理分析教学教材.ppt

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1、导电物理分析材料物理电阻与导电的基本概念当在材料的两端施加电压U时，材料中有电流通过，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式中，L为材料长度，S为材料截面积，ρ（电阻率）为与材料性质有关的系数。ρ只与材料本身的性质有关，与导体的尺寸无关，所以通常用ρ来表示材料的导电性能。另外，还常用电导率σ来表示导电性能2材料物理电阻与导电的基本概念工程中有时也会用电导率（IACS%）来表征材料的导电性能，把国际标准软铜（在室温20℃下电阻率为

2、0.01724Ω·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%。3材料物理电阻与导电的基本概念根据导电性能的高低可以分为导体、半导体、绝缘体。导体：电阻率在10-8~10-4·m范围内。半导体:电阻率在10-4~108·m范围内。绝缘体:电阻率＞108·m。超导体：电阻率＜10-27·m。4材料物理部分材料的电导率材料电子结构电导率（Ω-1·cm-1）碱金属Na1s22s22p63s12.13×105碱土金属Mg1s

3、22s22p63s22.25×105ⅢA族金属Al1s22s22p63s23p13.77×105过渡族金属Fe......3d64s21.00×105高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料Al2O310-145能够携带电荷的粒子称为载流子。在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子。在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。材料物理6材料的导电机理对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要。对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。载流子的移动速率

4、取决于原子之间的结合键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子化合物中的扩散速率。材料物理7材料的导电机理导电性理论发展的三个阶段材料物理8经典自由电子理论1.量子自由电子理论2.能带理论3.经典自由电子理论材料物理9金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动。就像气体充满整个容器一样，自由电子的运动遵守经典力学气体分子运动论。自由电子沿各个方向运动的概率相同，因而不产生电流。在外电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动，从而产生电流。电子在定向运动的过程中，不断会与原子发生碰撞妨碍电子的继续加速，形成电

5、阻。经典自由电子理论忽略了电子之间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用。经典自由电子理论的应用材料物理10成功可以推导出欧姆定律、焦尔-楞次定律等难点一价金属和二价金属的导电问题电子比热问题的根源在于经典电子理论是立足于牛顿力学的。对于微观粒子的运动需要用量子力学的概念来解决。一价金属和二价金属的导电问题按照自由电子的概念，二价金属的价电子比一价金属多，似乎二价金属的导电性比一价金属好很多。但是实际情况并不是这样。材料物理11材料电子结构电导率（Ω-1·cm-1）碱金属Na1s22s22p63s12.13×105碱土金属Mg

6、1s22s22p63s22.25×105电子比热问题按照经典自由电子论，金属中价电子如同气体分子一样，在温度T下每1个电子的平均能量为(kB为玻耳兹曼常数)。对于一价金属来说，每1mol电子气的能量式中NA为阿佛加德罗常数，NA=6.022×1023mol-1,R为气体常数。1mol电子气的热容这一结果比试验测得的热容约大100倍。材料物理12量子自由电子理论材料物理13金属离子所形成的势场各处都是均匀的。价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量子力学原理：

7、电子的能量不是连续分布的，而是分立的不连续的。量子自由电子理论和经典电子理论的主要区别。电子比热问题的解决由于电子的能级是分立的不连续的，只有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去，因为那些较高能级已经有别的电子占据着。热激发的电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论推导出的比热可以解释实验结果。经典自由电子论认为所有电子都有可能被热激发，因而计算出的热容量远远大于实验值。材料物理14材料物理15量子自由电子理论这一理论认为，电子具有波粒二象性，运

8、动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速率或动量之间的关系为其中，m为电子质量，v为电子速度，λ为波长，p为电子动量，h为普朗克常数。材料物理16量子自由电子理论在一价金属中，自由电子的动能代入上式得式中，为常数，，称为波数频率，是表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数。材料物理17量子自由