第10章材料电性质

合集下载

物理化学核心教程(第二版)思考题习题答案―第10章 胶体分散系

物理化学核心教程(第二版)思考题习题答案―第10章 胶体分散系

物理化学核心教程(第二版)思考题习题答案―第10章胶体分散系第十章胶体分散系统一.基本要求1.了解胶体分散系统的特有的分散程度、多相不均匀性和热力学不稳定性等三个主要基本特性。

2.了解憎液溶胶在动力性质、光学性质和电学性质等方面的特点,以及如何应用这些特点,对憎液溶胶胶粒的大小、形状和的带电情况等方面进行研究。

3.掌握憎液溶胶在稳定性方面的特点,知道外加电解质对憎液溶胶稳定性影响的本质,会判断电解质的聚沉值和聚沉能力的大小。

4.了解大分子溶液与憎液溶胶的异同点,了解胶体分散系统的平均摩尔质量的多种测定方法。

5.了解凝胶的基本性质和纳米科技的基本内容和广泛的应用前景。

二.把握学习要点的建议胶体分散系统以其特有的分散程度、多相不均匀性和热力学不稳定性这三个基本特性,使得与一般的分子分散系统或粗分散系统在性质上有很大的不同,主要表现在:动力性质、光学性质和电学性质等方面。

不能把憎液溶胶的三个基本特性与它在动力、光学和电学方面的性质混为一谈。

了解憎液溶胶的动力性质、光学性质和电学性质,目的是将它区别于分子分散系统和粗分散系统,利用这些性质可以对胶粒的大小、形状和带电情况进行研究。

大分子溶液与憎液溶胶在组成上完全是两回事,大分子溶液是分子分散系统,是亲液溶胶,仅仅是因为大分子溶液的分子大小与憎液溶胶胶粒的大小相仿,在粒度效应方面有一点共同之处,才放在一起研究,其实两者在光学性质、电学性质和受外来电解质影响方面有很大的区别。

大分子是由小分子单体聚合而成的,由于聚合的程度不同,所形成分子的大小也不同,所以大分子物质的摩尔质量只是一个平均值,而且随着摩尔质量测定方法的不同,所得的摩尔质量的值也不同。

纳米科技目前是许多学科的研究热点,采用较多的溶液相制备纳米材料的的方法是类似于制备溶胶的方法,学好胶体分散系统的性质,对纳米材料的研究有很大的帮助。

这一章的计算题不多,主要是掌握憎液溶胶的制备、净化、各种性质以及广阔的应用前景。

第十章静电场中的导体和电介质

第十章静电场中的导体和电介质

第⼗章静电场中的导体和电介质第⼗章静电场中的导体和电介质在上⼀章中,我们讨论了真空中的静电场。

实际上,在静电场中总有导体或电介质存在,⽽且在静电的应⽤中也都要涉及导体和电介质的影响,因此,本章主要讨论静电场中的导体和电介质。

本章所讨论的问题,不仅在理论上有重⼤意义,使我们对静电场的认识更加深⼊,⽽且在应⽤上也有重⼤作⽤。

§10-1 静电场中的导体⼀、静电平衡条件1、导体与电介质的区别:(1)宏观上,它们的电导率数量级相差很⼤(相差10多个数量级,⽽不同导体间电导率数量级最多就相差⼏个数量级)。

(2)微观上导体内部存在⼤量的⾃由电⼦,在外电场下会发⽣定向移动,产⽣宏观上的电流⽽电介质内部的电⼦处于束缚状态,在外场下不会发⽣定向移动(电介质被击穿除外)。

2、导体的静电平衡条件(1)导体内部任何⼀点处的电场强度为零;(2)导体表⾯处的电场强度的⽅向,都与导体表⾯垂直.导体处于静电平衡状态的必要条件:0=i E(当导体处于静电平衡状态时,导体内部不再有⾃由电⼦定向移动,导体内电荷宏观分布不再随时间变化,⾃然其内部电场(指外场与感应电荷产⽣的电场相叠加的总电场)必为0。

⼆、静电平衡时导体上的电荷分布1、导体内部没有净电荷,电荷(包括感应电荷和导体本⾝带的电荷)只分布在导体表⾯。

这个可以由⾼斯定理推得:ii sq E ds ε?=,S 是导体内“紧贴”表⾯的⾼斯⾯,所以0i q =。

2、导体是等势体,导体表⾯是等势⾯。

显然()()0b a b i a V V E dl -=?=?,a,b 为导体内或导体表⾯的任意两点,只需将积分路径取在导体内部即可。

3、导体表⾯以处附近空间的场强为:0E n δε=,δ为邻近场点的导体表⾯⾯元处的电荷密度,?n 为该⾯元的处法向。

简单的证明下:以导体表⾯⾯元为中截⾯作⼀穿过导体的⾼斯柱⾯,柱⾯的处底⾯过场点,下底⾯处于导体内部。

由⾼斯定理可得:12i s s dsE ds E ds δε?+?=,1s ,2s 分别为⾼斯柱⾯的上、下底⾯。

第十章电位分析

第十章电位分析
电池可表示为: (-) Ag│AgCl(s)│HCl(0.1M)│玻璃膜│
玻璃电极
待测液┇┇KCl(饱和)│Hg2Cl2│Hg (+) 甘汞电极
25℃,电池电动势ECell为: ECell = SCE- 玻 = SCE – ( AgCl/Ag+ 膜)
在测定条件下, SCE及 AgCl/Ag,可视为常数,合并 为K,于是上式写为:

实际 位电 Ox/极 Red电 为纵
坐标,则得到一 ,条 其直 斜S线 率 RT,当aOx 1时, nF aRed
截距 Ox/Red O x/Red。
三、实验中电极性质和名称
1. 指示电极和工作电极
在零电流条件下,能反映溶液中待测离子的活度或 浓度的电极,在测试过程中,溶液主体浓度不发生变化 的电极称为指示电极。
玻璃膜内、外表面的性质基本相同,则k1=k2 , a’1 = a’2
膜 = 外 - 内 = 0.059 lg( a1 / a2)
由式可知,如果a1= a2 ,则理论上膜=0,但实际上 膜≠0,此时的电位称为不对称电位不对称。
产生的原因: 玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力及 机械 和化学损伤的细微差异所引起的(玻璃膜内、外表面 的性质不完全相同)。长时间浸泡后恒定(1~30mV)。
水化层表面可视作阳离子交换剂。溶液中H+经水化层扩 散至干玻璃层,干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离 子,离子的相对移动产生扩散电位。 两者之和构成膜电位。
放入待测溶液,玻璃膜两侧电解质的浓度或组成不同, 因此在膜与溶液的界面上,离子选择性和强制性的扩散,膜 两边交换、扩散离子数目不同,破坏电荷分布的均匀性,形 成双电层,在膜的两侧产生两个相界电位: 外、内,产生 电位差 。

第十章_熔盐电解

第十章_熔盐电解

熔盐电解时在熔融电解质一衬里界面上呈现另一界面张力,是熔盐在毛细吸力的影响
下与往衬里(如铝电解槽的碳阴极块内部)渗透,熔盐这种吸入作用的强度决定于毛细压
力:
2 cos P r
式中 θ——熔盐的润湿角;
(10 - 4)
σ——熔盐(电解质)与气相界面上的表面张力:
r——毛细管(孔隙)的半径;
可以看出,熔体向毛细管内的渗入程度,不仅与孔隙的大小有关,而且和熔体对固相的润
熔盐是不含有惰性溶剂的离子液体。因此,从某种意义上讲,熔盐中的迁移现象比水 溶液体系更为简单,如对纯盐就不存在扩散现象。
但是在熔盐电化学中经常用到自扩散的概念。所谓自扩散是指示踪离子在同种普通离 子熔盐中的扩散。例如,将放射性的 22Na+离子加入到普通的 NaCl 熔盐中,使之形成 的浓 度梯度,此时便会出现 22Na+在 NaCl 熔盐中的扩散,这种示踪离子在与自身化学性质相同 的离子盐中的扩散叫作自扩散,其扩散系数叫作自扩散系数。 两种或多种盐类混合时,可能出现不同离子间的浓度差,这时出现的扩散现象称为互扩散, 相应的扩散系数叫作互扩散系数。
工业上用熔盐电解法制取碱金属和碱土金属的熔盐电解质多半是卤化物盐系,如制取 铝的电介质是冰晶石(Na3AlF6)和氧化铝等组成的。因此,在讨论熔盐的盐系的物理化 学性质时,将主要涉及到由元素周期表中第二、第三族有关金属的氯化物、氟化物和氧化 物组成的盐系。
盐系的熔度图
由不同的盐可以组成不同的熔盐体系, 这些熔盐体系将具有不同的熔度图。 在碱金属卤化物组成二元盐系中,可以归类 成具有二元共晶的熔度图,有化合物形成的 二元熔度图,液态、固态完全互溶的二元系 熔度图和液态完全互溶、固态部分互溶的二 元系。
图 10-5

半导体物理第十章半导体的光学性质

半导体物理第十章半导体的光学性质
自发辐射光子的位相和传播方向与 入射光子不相同。
吸收 自发吸收
受激辐射:
当处于激发态(E2)的原子收到另一个能量为(E2-E1)的光子 作用时,受激原子立刻跃迁到基态E1,并发射一个能量也 为(E2-E1)的光子。这种在光辐射的刺激下,受激原子从激 发态向基态跃迁的辐射过程,成为受激辐射。 受激辐射光子的全部特性(频率,位相,方向和偏振态等 与入射光子完全相同。 受激辐射过程中,一个入射光子能产生两个相位,同频率 的光子
透过一定厚度d的媒质(两个界面):
T = (1− R)2 e−αd
如:玻璃,消光系数k=0 T=(1-R)2=0.962~92%
10.2 半导体的光吸收
本征吸收 直接跃迁,间接跃迁 其他吸收过程
10.2.1 本征吸收
本征吸收: 电子吸收光子由价带激发到导带的过程
条件:
hω ≥ hω0 = Eg
反射系数
R = ( n1 − n2 )2 n1 + n2
= ( n −1− ik )2 n +1− ik
=
(n −1)2 + k 2 (n +1)2 + k 2
玻璃折射率为 n~1.5,k~0, 反射率R~4% 如某一材料 n~4, k~0, 反射率为 R~36%
透射系数,透过某一界面的光的能流密度比值: T=1-R
把处于激发态E2的原子数大于处于基态E1的原子数的这种 反常情况,成为“分布反转”或“粒子数反转”。
要产生激光,必须在系统中造成粒子数反转。
粒子数反转条件
为了提高注入效率 异质结发光: PN结两边禁带宽度不等,势垒不对称。 空穴能注入N区,而电子不能注入P区。 P区为注入区,N区为发光区。

大学物理第10章 电荷和静电场-2

大学物理第10章  电荷和静电场-2

例如 孤立的导体球的电容
Q
Q C V
地球
Q Q 4π 0 R
4π 0 R
6
R
4
RE 6.4 10 m, CE 7 10 F
二 电容器
导体组合,使之不受周 围导体的影响 ——电容器
电容器的电容:
当电容器的两极板分
别带有等值异号电荷Q时 ,电量Q与两极板间相应 的电势差VA-VB的比值。
详细说明如下
二、导体表面的电荷和电场 导体表面电荷的分布与导体本身的形状以及附近 带电体的状况等多种因素有关。
孤立导体的电荷面密度与其表面的曲率有关,曲率越大 电荷面密度越大。 表面突出尖锐部分曲率大, 电荷面密度大;
表面比较平坦部分曲率小, 电荷面密度小; 表面凹进部分曲率为负, 电荷面密度最小。
S
–q'
说明空腔内表面所带总电量与空腔内带电体的电量 相等、符号相反。导体空腔是等势体,腔内场强不 为零,不是等电势区间。
四、导体静电平衡性质的应用
1. 静电屏蔽 (electrostatic shielding)
+q +q +q
-q
-q
利用导体静电平衡的性质,使导体空腔内部空 间不受腔外电荷和电场的影响,或者将导体空腔 接地,使腔外空间免受腔内电荷和电场影响,这 类操作都称为静电屏蔽。无线电技术中有广泛应 用,例如,常把测量仪器或整个实验室用金属壳 或金属网罩起来,使测量免受外部电场的影响。
Cn
VB
等效
VA
C
VB
令 U VA VB
q1 C1U
q2 C2U

•导导体表面外附近的场强 E 0
★ 注意:
E 仅由 S 处电荷产生而与其它电荷无关吗?为什么?

材料性能学第十章--材料的电学性能

材料性能学第十章--材料的电学性能

+4
+4
+4
+4
电子和空穴在外电场的作用下都将作 定向运动,这种作定向运动电子和空 穴(载流子)参与导电,形成本征半 导体中的电流。
当温度升高时,有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果:在上面的导带 中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同;而价带中留下的空态即空穴 起着类似的作用,不过它们好象是正的电子,因此,它们有来自导带中的激发电子和 来自价带中的空穴的导电性;温度升高时,由于有更多的电子被激发到导带, 所以 电导率随温度而迅速增加。
第一节 导电性能
量子力学证明,对于一个绝对纯的理想的完整晶体,0 K时,电子波 的传播不受阻碍,形成无阻传播,电阻为零,导致所谓的超导现象。
二、导电机理
1、金属及半导体的导电机理
第一节 导电性能
实际金属内部存在着缺陷和杂质。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,对电磁波造成散射,这是金属 产生电阻的原因。由此导出的电导率为:
合金为:
10-7-
-5 10 Ω.m
半导体材料:ρ=10-2-109Ω.m
绝缘体材料:ρ>1010Ω.m
各种材料在室温的电导率
金属和合金
-1 -1 (Ω .m )
银 铜,工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨, 工业纯 黄铜(70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢,301型 镍铬合金 (80%Ni-20%Cr)
第一节 导电性能
一、电阻与导电的基本概念
欧姆定律:当在材料的两端施加电压时,材料 中有电流流过
电阻与材料的性质有关,还与材料的长度 及截面积有关
电阻率只与材料本性有关,而与导体的几何 尺寸是无关,作为评定导电性的基本参数

第10章半导体电化学和光电化学基础

第10章半导体电化学和光电化学基础

(b)受主与P型半导体的能带
图10.3施主能级和受主能级
电化学原理
10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布
半导体中起主要作用的是靠近EC的电子和靠近EV的空穴。通常, 导带底和价带顶的状态密度函数Z(E)随电子能量E关系为:
Z E4V2m n*3/2EEC1/2
C
h3
Z E4V2mp*3/2EVE1/2
n 少子(电子)浓度
n
2 i
0
NA
掺杂后半导体的费米能级
EFEVklnN NV A
EC
EF
EV
(c)P型半导体能带结构
电化学原理
10.2半导体/溶液界面的结构与性质
10.2.1半导体/溶液界面的结构与性质
1、半导体/溶液界面接触时的能带结构
动态平衡
EF EF0O / R
电化学原理
E电子能量
电化学原理
2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲
界面
空间电荷层
OHP
⑴空间电荷层
+-
+ +
++-
-
+- - -
++
++-
+ +-
-
-
-
+
+-
+ +- -
++-
-
x
l s c N型半导体 0
溶液
(a)空间电荷层
电化学原理 ⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度
①电位分布与能带弯曲的方向取决于初始 的相对位置。
ni2
NCNV
expkETg
ni2 n0 p0
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

未被激发的时没有电子填入,称为空
带或导带。
4
1. 金属的电子能带结构
在0 K时,价带中被电子所占据的最高能级称为费密能级,费密能级以 上都是空能级。 钠原子3s能级分裂为N个能级,3s能带
➢3s 能带一半充满,只需很小能量就可激发出自由电子,是良导体。 IA和IB族单价原子(Li ,Na,K,Cu,Ag,Au等)都是良导体
➢p型非本征半导体的电导率:
掺杂方法: ① 扩散掺杂法 ② 离子注入法
杂质原子称 为受主 空穴为多数 载流子
空穴可与邻近电子
换位而移出来参与
导电
12
电子能带模型
Sb 0.04
P
As Ec
0.044 0.049 Ed
Si Eg=1.1ev
受主 能级
靠近价带
0.045 0.057
B
Al
0.065 Ea Ga Ev
§10.3 金属的电阻
电子
晶体缺陷(热振动、杂质原子、 空位、间隙原子和位错等)对电 子运动的散射,即电阻。
电子失去部分动能 并改变运动方向
产生电流
散射作用与电场的加速作用相 抗衡,使电流迅速达到平衡值
1 1 n e e
|e| =1.6×10-19C
电子迁移率μe :描述散射作用的参数
电子散射几率越高,则迁移率越低,电阻率就越高。
每个三价杂质原子在本征半导体的禁带中引进一个靠近其 价带的能级,很容易接受从价带激发出来的电子,从而在 价带中留下一个空穴。
13
3.半导体的电导率与温度的关系 在0K,本征半导体的价带是全部充满的,导带是完全空的。 0K以上,价带中有一些电子被热激发到导带中去, 而产生导电 的电子与空穴对:本征半导体的电导率随温度的上升而提高。 这与金属电导率对温度的依赖性正好相反。
本征半导体的电导率σ与温度T(K)之间的关系:
Eg禁带能量宽度愈大, 电导率对温度变化愈敏感
➢图10.14本征硅的电导 率与温度的关系
14
非本征半导体的电导率与温度的关系
在温度较低的非本征 区域,lnσ随1/T线性地 减小,但斜率比-Eg/2k 小得多.
非本征半导体的电导率 取决于单位体积内被激活 (离子化)的杂质原子数。 温度愈高,被激活的杂质 原子数愈多,从而参与导 电的电子或空穴数就愈多, 因而其电导率随温度的上 升而增加。
IACS= σ/σCu。
退火铜Cu截面积1mm2、长1m、20℃,电导率为5.8×107 S/m。 Al和Ag相对电导率分别为61%和106%。
✓典型金属是良导体,电导率为105S/m, ✓绝缘体的电导率非常低,为10-6~10-18S/m。 ✓电导率介于导体和绝缘体之间的材料为半导体,一般为10-6~100S/m。
载流子迁移率μ:单位时间内沿电场方 向或相反方向迁移的距离,m2 / (V.s), n载流子密度、e 载流子荷电量
常用电导率的倒数-电阻率ρ来说明它与其它性质的关系。
ρ= 1/σ,单位为Ω·m (欧[姆]米)。
2
工程上材料的电导率常以国际退火铜电导率的百分数表示,即 相对电导率IACS(Intenational Annealed Copper Standard) 。
施主
电子能带模型
Sb
0.04 Eg<0.1 eV, 易被激发
Si Eg=1.1ev
P
As Ec
0.044 0.049 Ed 靠近导带
施主 能级
0.045 0.057
B
Al
0.065 Ea Ga Ev
➢电子是多数载流子 (简称多子),空穴是少 数载流子(简称少子);.
n »p
11
②p型非本征 半导体:在硅或 锗中加入三价杂 质原子(如Al, B, Ga等)
Eg = Ec -Ev Ec,导带最低能量
Ev,价带最高能量
Eg = Ec -Ef Ef为费密能量
(a)激发前 (b)激发后
须有足够的能量(E≥ Eg) 激发它
➢绝缘体的禁带宽度为 5 ~10 eV
➢半导体的禁带宽度比较窄,为 0.2~3 eV,单位体积内自由电子 7 数为 1016~1019个/m3。
电导率取决于材料的电子能带结构
3
§10.2 固体材料中的电子能带结构
孤立原子的电子 处于分立的能级上。
电子受到邻近电 子和原子核的作 用,使能级分裂
一个能级分裂后, 密集能级的能量范围 叫做能带。
能级分裂从价电子开始,价电子能
级分裂成的能带称为价带。是满带或
未被填满。
与各原子的激发能级相应的能带在
本征半导体的电子与空穴同时参与导电,电导率为
neeeb μe<μb
n,p分别为单位体积内的电子与空穴数;
由于n=p, n e eb p e b e
10
2、非本征半导体
杂质在本征半导体中的固溶体,杂质浓度 (100~1000)×10-6。
① n 型非本征半 导体:五价原子掺杂 (如 P,As,Sb等)
电材料应用:
高压线:强度高且导电性好.钢丝增强铝。 炉内加热元件:高电阻率且耐高温氧化9。 铁铬铝合金
§10.4 半导体 1、 本征半导体 元素本征半导体:Si和Ge (IVA) ,禁带宽为1.1 和 0.7eV 化合物本征半导体:IIIA和VA族化合物,如GaAs和锑化铟 (InSb);II B和VI A族化合物,如CdS和碲化锌(ZnTe)
第四篇材料的物理、化学性质
第十章 材料的电性质
主 固体材料中的电子能带结构 要 金属的电阻 内 半导体 容 绝缘体
超导体
1
§10.1 概述
导电载流子: 电子、空穴、正离子和负离子

固 体 材 料

27 个 数 量

欧姆定律
电阻率(欧姆.米)
J 为电流密度;E为电场强度
➢电导率, σ, S/m,(西门子/米)
8
ρ的影响因素---Matthiessen定律
金属晶体缺陷的浓度与原子热振动(温度)、杂质和塑性形变量有
关。
总t i d
纯铜和铜镍合金的ρ-T关系曲线
各个因素对金属电阻率的影响规律:
(1)温度越高,ρ就越高。
t 201
2 0 电阻率温度系数 T=(t-20)℃。
(2)杂质原子改变了金属正常晶体结构, 引起对电子迁移的额外散射,使电阻率提 高。 (3)随塑性形变量的增加,位错增多, 从而电阻率增高
➢3s能带还与能量较高的3p空能带发生部分交叠 ➢全满3s与部分充满3p 能带交叠。也是良导体
5
➢过渡族金属未充满的d能带并与最外层的 s 能带交叠,也具有一定 的导电性。
6
2.绝缘体和半导体的电子能带结构
价电子被共价键或离子键束缚在 键合原子上。 能量较低的价带与能量较高的导 带在原子平衡间距处没有交叠
相关文档
最新文档