材料的电学性能
材料的电学性能与测试方法
材料的电学性能与测试方法引言：材料的电学性能是指材料在电场或电流作用下的响应和性质。
了解材料的电学性能对于材料的研究和应用具有重要意义。
本文将介绍几种常用的测试材料电学性能的方法。
一、电导率测试方法电导率是衡量材料导电性能的重要指标，其测试方法如下：1. 电导率测量仪器：使用四探针测试仪或电导率仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料切割成适当的样品尺寸，保持样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将四个电极按照规定的间距连接到材料上，并确保电极与材料之间的良好接触。
最后，通过测试仪器施加电流并测量电压，根据欧姆定律计算得出材料的电导率。
二、介电常数测试方法介电常数是材料在电场中对电场强度的响应能力，测试方法如下：1. 介电常数测量仪器：使用恒流恒压法或绝缘材料测试仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料加工成平板状或柱形状样品，保证样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将测试仪器中的电极引线与样品连接，确保电极与材料的良好接触。
接下来，在测试仪器中施加电流和电压，测量得到材料的介电常数。
三、热释电测试方法热释电是指材料在电场作用下产生的热能释放，其测试方法如下：1. 热释电测量仪器：使用热释电测试仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料切割成适当的样品尺寸，保持样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将样品放置在测试仪器中，施加电场。
测试仪器会测量样品在电场下产生的温升，根据温升和已知的电场强度计算得出材料的热释电性能。
四、电阻温度系数测试方法电阻温度系数是指材料电阻随温度变化的程度，其测试方法如下：1. 电阻温度系数测量仪器：使用四探针测试仪或电阻测量仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料切割成细丝或片状样品，保持样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将四个电极按照规定的间距连接到样品上，并确保电极与材料之间的良好接触。
接下来，在测试仪器中施加电流并测量电阻，随后在不同温度下重复测量电阻值。
最后，根据电阻值和温度变化计算得出材料的电阻温度系数。
材料物理性能学之材料的电性能
材料物理性能学之材料的电性能引言材料的电性能是材料物理性能学的一个重要研究分支，它研究的是材料在电场、电流和电磁波等电学环境下的行为和性能。
材料的电性能对于材料的应用具有关键影响，比方在电子学、能源转换和传感器等领域中起着重要作用。
本文将探讨材料的电性能的根本概念、测试方法和常见的应用。
1. 电导率电导率是材料的一个根本电学性能参数，表示材料导电能力的强弱。
它常用符号σ表示，单位为S/m〔西门子/米〕。
电导率的量值越大，材料越好的导电性能。
电导率可以通过测量材料的电阻率来计算。
2. 电阻率电阻率是材料对电流流动的阻碍能力的度量，常用符号ρ表示，单位为Ω·m。
电阻率和电导率是一对相互关联的物理量，它们之间的关系可以用以下公式表示：ρ = 1/σ。
电阻率可以通过测量材料的电阻来得到。
3. 介电性能除了导电性能，材料还具有介电性能。
介电性能是材料对电场的响应能力的度量。
具有良好介电性能的材料可以阻止电流的流动，并被广泛应用于电容器、绝缘材料和电子设备等领域。
介电性能可以通过测量材料的介电常数来评估。
4. 介电常数介电常数是材料在电场中响应的能力的度量，常用符号ε表示。
介电常数可分为静电介电常数和动态介电常数。
静电介电常数表示在静电场中材料的响应能力，而动态介电常数那么表示在交变电场中材料的响应能力。
介电常数越大，材料对电场的响应能力越强。
5. 半导体材料的特性半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，它具有特殊的电性能。
半导体材料的电导率较低，但随着温度的升高会逐渐增大。
半导体材料的导电性能可以通过添加杂质来调控，从而实现半导体器件的制造。
6. 材料的应用材料的电性能对于众多领域的应用至关重要。
在电子学领域中，导电性能好的材料可以用于制造电路和导线等电子元器件。
在能源转换领域中，材料的电性能对太阳能电池和燃料电池等能源转换器件的效率和稳定性有重要影响。
在传感器领域中，材料的电性能可以用于制造压力传感器、温度传感器和湿度传感器等。
第十章 材料的电学性能
第四节
介质极化与介电性能
一 极化的基本概念
1 介质极化的基本概念 （1）电介质 （2 ）介质极化
2 电介质分类 （1）非极性介质 无外电场作用时．正负电荷中 心重合 电偶极矩 外电性能
（2）极性介质 分子存在固有电偶极矩 电偶极矩转向外电场方向 外电场越强，电极化的程度越高 3 极化率 表征材料的极化能力 只与材料的性质有关 4 极化强度 线性极化 表征介质在电场作用下极化程度
第一节
在外加电场的作用下，从 而使正反向运动的电子数 不等，使金属导电 只有处于较高能态的自由 电子参与导电 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，形成电阻 超导现象 一价金属比二、三价金属 导电性较好
导电性能
第一节
导电性能
(3)能带理论 能带 金属中的价电子是公有化和 能量是量子化 金属中由离子所造成的势场 不是均匀的 价电子在金属中的运动要受 到周期场的作用 能带发生分裂，即有某些能 态是电子不能取值的 禁带 允带
第十章 材料的电学性能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 导电性能 热电性能 半导体导电性的敏感效应 介质极化与介电性能 电介质的介质损耗 绝缘材料的抗电强度
第一节
一
导电性能
电阻与导电的基本概念
1 导电 当在材料的两端施加电压时，材料中 有电流流过 欧姆定律 2 电阻 与材料的性质有关，还与材料的长度 及截面积有关 3 电阻率 只与材料本性有关，而与导体的几何 尺寸无关 评定导电性的基本参数
2 热击穿 （1）热击穿的过程 损耗→部分电能转变成热能→ 热量的不平衡状态→击穿 （2）影响热击穿的因素 材料性质 绝缘结构 电压种类 环境温度
电子和空穴导电 B表示材料的电导活化能 应用 热敏温度计、电路温度补偿器
材料的电学性能测试实验报告
材料的电学性能测试,实验报告实验报告：材料的电学性能测试一、引言材料的电学性能是决定其在不同应用中的关键因素。
本实验报告主要介绍几种基本的电学性能测试方法，包括电阻率测试、绝缘电阻测试和介电常数测试，并通过具体实验示例对这些方法进行详细阐述。
二、实验材料与方法1.电阻率测试电阻率是衡量材料导电性能的参数，可通过四探针法进行测量。
四探针法的基本原理是：当四个探针在材料上施加一定的电流时，通过测量两对探针之间的电压降，可以计算出材料的电阻率。
2.绝缘电阻测试绝缘电阻是衡量材料绝缘性能的重要参数，可采用直流电压源和电流表进行测量。
基本原理是：在材料两端施加一定的直流电压，然后测量流过材料的电流大小，通过计算可得材料的绝缘电阻值。
3.介电常数测试介电常数是衡量材料介电性能的参数，可采用LCR数字电桥进行测量。
LCR数字电桥具有测量精度高、读数稳定等优点。
基本原理是：在材料上施加一定频率的交流电压，测量通过材料的电流及相位差，通过计算可得材料的介电常数值。
三、实验结果与分析1.电阻率测试结果与分析在本次实验中，我们选取了铜、镍和铝三种材料进行电阻率测试。
实验结果表明，铜的电阻率最低，具有良好的导电性能；而铝和镍的电阻率较高，相对而言导电性能较弱。
2.绝缘电阻测试结果与分析在本次实验中，我们选取了聚乙烯、聚氯乙烯和橡胶三种材料进行绝缘电阻测试。
实验结果表明，橡胶的绝缘电阻最高，具有最好的绝缘性能；而聚乙烯和聚氯乙烯的绝缘电阻相对较低，相对而言绝缘性能较弱。
3.介电常数测试结果与分析在本次实验中，我们选取了聚酰亚胺、聚碳酸酯和聚酯三种材料进行介电常数测试。
实验结果表明，聚酰亚胺的介电常数最高，具有较好的介电性能；而聚酯的介电常数相对较低，相对而言介电性能较弱。
四、结论本次实验通过电阻率测试、绝缘电阻测试和介电常数测试三种方法对不同材料的电学性能进行了评估。
实验结果表明：在导电性能方面，铜具有最好的导电性能，而铝和镍相对较弱；在绝缘性能方面，橡胶具有最好的绝缘性能，而聚乙烯和聚氯乙烯相对较弱；在介电性能方面，聚酰亚胺具有较好的介电性能，而聚酯相对较弱。
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
材料的电学性能
电阻的本质 电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产 生阻碍作用，降低了导电性。 电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将 不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。
35
能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运 动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射， 电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射 形成电阻
10
2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S 1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数
为ncm3 ，每一载流子的电荷量为q ，则单位体积内参加导
电的自由电荷为nq 。
11
电导率为 J nqv
EE
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流
(金属的纯度和完整性)
41
理想晶体和实际晶体在 低温时的电阻率－温度 关系
e2n F e2nlF
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫时中间的、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
的温度。
在T<<D的低温，有 T5
在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱， 电子－电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：
T2
理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。
38
定义＝1/lF为散射系数
1
m * vF e2n *lF
1 lF
由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材 料散射系数可表示为
培训_第三章材料的电学性能
离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 实散际射金。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
波造成散射而形成电阻。 而对于一个纯的理想的完整晶体，0K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。
为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使 半导体具有一些导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能 跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所 以绝缘体几乎没有导电能力。
三、影响金属导电性的因素
晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因，而电阻来
源于晶体对自由运动电子的散射，因此电阻具有 组织结构敏感性，温度、形变（应力）、合金
18
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，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， 而是呈周期性变化的，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，离开时势能增高。这样价电子在金属中 的运动就不能看成是完全自由的。
原因：由于高压作用，导致原子间距发生变化（变小），使
金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化，从而影 响导电性。
能带结构和导电机理：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，也就是说，
有些能态是电子不能取值的。 由右图可以看到：
禁带宽窄取决于周期 势场的变化幅度，变 化越大，则禁带越宽。
当 线规-K律1<连K 续<K变1时化，；曲线按抛物 当增K=K1时，只要波数稍微
材料的电学性能.PPT
② 临界磁场Hc ：T＜ Tc时，将超导体放入磁 场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超 导体被破坏而成为正常态。 Hc是破坏超导态 的最小磁场。
.
15
超导电性的三个重要性能指标：
③ 临界电流密度Jc ：如果输入电流所产生 的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超 导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。 H增加， Jc 必须相应地减小，以使磁场总 和不超过Hc 而保持超导态。 Jc 是材料保持 超导态的最大输入电流密度。
禁带：能隙的存在意味着禁止电 子具有A和B与C和D之间的能量， 能隙所对应的能带。
允带：电子可以具有的能级所组 成的能带。
允带与禁带相互交替，形成了材 料的能带结构。
.
8
(3)能带理论 空能级指允带中未被电子填满的能级。
导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在 外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。
.
16
超导电性的三个重要性能指标：
①临界转变温度Tc ② 临界磁场Hc ③ 临界电流密度Jc
.
17
上节回顾
1、掌握铁磁性的本质，铁磁体的两大特征， 磁畴结构的大小，磁化曲线和磁滞回线， 铁磁材料的性能指标。
2、利用能带结构分析材料的导电性差异。
3、熟悉超导体的概念，掌握超导体的两个 特征和三个性能指标。
不同材料的导电能力相差很大，这决定于结构 与导电本质。
.
4
二、导电机理
(1)经典电子理论
金属晶体中，自由电子定向运动时，要不断与正 离子发生碰撞，使电子受阻，这是产生电阻的原因。
(2)量子自由电子理论 金属中每个原子的内层电子保持着单个原子时
的能量状态，而所有价电子按量子化规律具有不同 的能量状态，即具有不同的能级。
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J / E nqv / E
定义 ： v / E 为载流子的迁移率
。
其物理意义为载流在单
位电场中的迁移速度
。
nq
电导率的一般表达式
：
i
n i q ii i
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10
i
i
4.2 离子电导
• 参与电导的载流子为离子，有离子或空位。它又 可分为两类。
• 本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。离 子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。 从而导 致载流子，即离子、空位等的产生，这尤其是在 高温下十分显著。
• 杂质电导（extrinsic conduction）的载流子浓度决定于 杂质的数量和种类。由于杂质的存在，不仅增加了载流子 数，而且使点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温 下，离子晶体的电导主要是杂质电导。如在Al2O3晶体中 掺入MgO或TiO2杂质
2 M A g 2 O 3 l O 2 M g A V lO • • 2 O O
3
• 微分式说明导体中某点的电流密度正比于该点有 电场,比例系数为电导率σ
• 电场强度E－伏特/厘米; • 电阻密度J－安培/厘米2; • 电阻ρ－欧姆.厘米; • 电导率σ－欧姆-1.厘米-1
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4
4.1.2 电导的物理特性
(1) 载流子
• 电流是电荷在空间的定向运动。 • 任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子——载流子，
霍尔系数RH有如下表达式：
1
RH nie
对于半导体材料：
n型：
RHΒιβλιοθήκη 1 nie,ni
电子浓度
p型：
RH
1 nie
,
ni
空穴浓度
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8
②电解效应
离子电导的特征是具有电解效应。 利用电解效应可以检验
材料是否存在离子导电 可以判定载流子是正离子还是负离子
法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比关系：
• 杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）的运动造
成，由于杂质离子是弱联系离子，故在较低温度
下其电导也表现得很显著。
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4.2.1 载流子浓度
(1)本征电导的载流子浓度
• 固有电导(本征电导)中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。 晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。 Frenker缺陷指正常格点的原子由于热运动进入晶格间隙， 而在晶体内正常格点留下空位。空位和间隙离子成对产生。
就可以在电场下产生导电电流。 • 金属中： 自由电子 • 无机材料中：
C 电子（负电子/空穴）——电子电导 C 离子（正、负离子/空穴）——离子电导 •
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5
①霍尔效应
电子电导的特征是具有霍尔效应。 沿试样x轴方向通入电流I(电流密度Jx),z轴方向 上加一磁场Hz,那么在y轴方向上将产生一电场Ey, 这种现象称霍尔效应。
单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：
- P60exp (U0U)/kT 60exp(U0U)/kT
图4-1 霍尔精选效pp应t 示意图
6
Ey RHJxHz
Ey产生的电场强度,霍尔系数（又称霍尔常数）RH
H RH
霍尔效应的起源：
源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场 中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电荷运动的方向 垂直，也与磁场方向垂直。
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7
霍尔系数RH=μ*ρ，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率 ρ与电子迁移率μ的乘积。
3 T2 i2 A O 2 O 3 l 3 T • A l i V A l 6 O O
很显然，杂质含量相同时，杂质不同产生的载流子浓度不同； 而同样的杂质，含量不同，产生的载流子浓度不同。
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• 4.2.2 离子迁移率
• 离子电导的微观机构为载流子 ─ 离子的扩散。间隙离子 处于间隙位置时，受周边离子的作用，处于一定的平衡位 置(半稳定位置)。如要从一个间隙位置跃入相邻间隙位置， 需克服高度为U0的势垒完成一次跃迁，又处于新的平衡位 置上。这种扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。
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1
主要内容
电导的物理现象 离子电导 电子电导 金属材料的电导 固体材料的电导 半导体陶瓷的物理效应 超导体
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2
4.1 电导的物理现象
4.1.1 电导率和电阻率
电导率和电阻率
对一截均匀导电体，存在
i
如下关系：
• 欧姆定律 • • • • • 欧姆定律微分形式
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Area
Length ρ-电阻率 σ-电导率
gCQ Q/F
g为电解；质 Q为 的通 量过；的 C为 电电 量化当量
F为法拉第常数
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• (2)迁移率和电导率的一般表达式
• 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作 用下的定向迁移。
单位时间 （ 1 s ） 通过单位截面 S 的电荷量 ：
J nqv 欧姆定律 ：
J E / E
• •
0VN aVC•l
• 低温下：KT<E，故Nf与Ns都较低。只有在高温下，热缺 陷的浓度才明显增大，亦即，固有电导在高温下才会显著
地增大。
• E与晶体结构有关，一般Es<Ef，只有结构很松，离子半 径很小的情况下，才容易形成弗仑克尔缺陷。
•
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13
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14
• （2）杂质电导的载流子浓度
• 无外加电场时，各方向迁移的次数都相同，宏观上无电荷 的定向运动。故介质中无导电现象。
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• 加上电场后，由于电场力的作用，使得晶体中间隙离子的 势垒不再对称。正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电 场方向“迁移”困难。
P顺60exp (U0U)/kT
P逆60exp (U0U)/kT
• 弗仑克尔缺陷：
• (弗仑克尔缺陷中N 填隙f 离N 子和ex 空p位( 的E 浓f度/2 是K 相T等)的)
• Ef－形成弗仑克尔缺陷所需能量
FF 精选pFpt iVF•
12
• 而肖特基缺陷中：N sN exp( E s/2K T)
•
• Es－离解一个阳离子和一个阴离子到达到表面所需能量。
• 由于U0相当大，远大于一般的电场能，即在一般的电场
强度下，间隙离子单从电场中获得的能量不足以克服势垒 进行跃迁，因而热运动能是间隙离子迁移所需能量的主要 来源。
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• 间隙离子的势垒变化
•
• 单位时间沿某一方向跃迁的次数 •
Pv60 expU ( 0/kT)
• 离子迁移与势垒U0的关系;ν0－间隙原子在半稳定位置上 振动频率