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。
材料的电学性能
• 允许的能级是固体中相邻原子间距的函数。 • 孤立原子中的分立能级，在固体中展宽成能带。 • 最外层电子，或者价电子，不再处于一个特定原子的周围空间中。
能带结构与原子间距的关系
当原子间距较大 （x1）时，任何 一个原子的电子 都与其它原子的 电子相互独立 。
导电条件：
能带中需要存在空能级，并且空能级的能量值与电子已经占有的能级的 能量之间不能相差太多。这是必要条件。其原因可浅显解释如下：考虑一个 处于E0能级上的电子，受外加电场作用被加速，其能量会少量地增加ΔE， 对于要移动的电子，必须在E0＋ΔE的能量位置上存在一个未被占据的能级。
（2）三种典型材料的能带结构
J nqv
E
则有： J nqv
EE
定义： v
E
μ为载流子的迁移率（Mobility），其含义为单位电场下载流子的平
均漂移速度。
（3）电导率与载流子浓度和迁移率的关系
nq
若材料中对电导率有贡献的载流子有多种种，则总电导率为
i niqii
i
i
由此式可见，决定材料导电性好坏的本质因素有两个：
材料的电学性能
• 导电性 • 介电性 • 热电性 • 压电性 • 铁电性 • 热释电性 • 光电性
重点介绍
简单介绍
8.1 导电性
8.1.1 概述
8.1.1.1 导电性的表征
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。
规律：欧姆定律 电阻： R L
S
I V R
电阻率： R S
L
1μ·cm＝10-9·m＝10-6·cm＝10-2·mm2/m
实质：自由电子之间以及它们与正离子之间的相互作用类似于 机械碰撞。
材料性能学 10.电学性能
3）能带导电理论 ----电子能量与波矢的关系
金属导电理论
晶体电子的能量E与波矢K的关系曲线就是能带图。 晶体电子的状态是用波函数和能量本征值来确定的， 可采用波矢K来表征；即一个K就代表了一种状态（ 一种波函数和相应的能量）
3）能带导电理论
（1）基本概念
由于晶体中电子能级的 间隙很小，故能级的分布可 视为准连续的，称为能带。
基本假设：
• 自由电子（价电子）公有 化，能量量子化；
• 离子势场不均匀，呈周期 变化；
允带 禁带
3）能带导电理论
3）能带导电理论
半导体能带中的几个概念： 价带，导带，导带底，价带顶，禁带宽度
（2）三种典型材料的能带结构
空带
价带
导 带
重 叠 区
禁带宽度
导 带
价带与空带重叠， 无禁带
价带半满
金属导体
ⅡA族－Be, Mg, Ca, Sr(锶), Ba, Ra(镭)
电子结构特征：最外 s 壳层 均有 2 个电子。
能带结构特征：最外s 带为 满带。
导电性：
表面上：应导电能力不佳，
实际上：导电能力高于ⅠA族。
Mg
原 因：最外s 带与最外 p 带重叠，构成导带
ⅢA族－B, Al, Ga, In, Tl(铊)
第八章 材料的电学性能
第八 章 材料的电学性能
• 导电性 • 介电性
重点介绍
• 铁电性 • 压电性 • 热释电性 • 磁电性 • 光电性
最后一节课即6-12部分内容， 学生讲，2个学生，每人选一 个内容，讲15分钟左右， 简单介绍 PPT已有
（考试不考）
第一节 导电性
一、电阻与导电的基本概念
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。
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
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2.量子自由电子理论
量子理论的一些法则
电子具有波、粒两相性，运动着的电子作为物质波， 在一价金属中，自由电子的动能E等mv2/2.
材料的电学性能
材料的电学性能
材料的导电性 半导体的电学性能 绝缘体的电学性能 超导电性 导电性的测量
引言
一、载流子
电流是电荷的定向运动，电荷的载体称为载
流子。
载流子
电子、空穴
正离子、负离子、空位
二、迁移数
表征材料导电载流子种类对导电贡献的参数，用tx表示。
tx
x T
某一种载流子输运电荷占 全部电导率的分数
《材料物理性能》——材料的电学性能
二、金属导电理论
二、金属导电理论
经典自由电子论 1900年特鲁德/洛伦兹
1.经典自由电子理论（量子理论发展前）
霍耳效应
当金属导体处于与电流方向相垂直的磁场内时，则 在模跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的 电场，此现象称为霍耳效应。
表征霍耳场的物理参数：霍耳系数
RH
EH J x B0
又因
EH
J x B0 ne
可得
1 RH ne
由式可见，霍尔系数只与金属中的自由电子密度有
关。霍尔效应证明了金属中存在自由电子，理论计
算与实验测定结果对典型金属相一致。
电导率：
ne2l ne2 t
mv m
经典电子论的局限性
经典电子论模型成功地说明了欧姆定律，导电与导 热的关系。但在说明以下问题遇到困难： 实际测量的电子自由程比经典理论估计值大许多； 电子比热容测量值只是经典理论值的百分之一； 霍尔系数按经典自由电子理论只能为负，但在某些
有电场时的E-K曲线
量子自由电子理论的电阻率表达式
ne2lF
mvF
ne2l ne2 t
mv m
lF为费米面附近电子平均自由程； vF为费米面附近电子平均运动速度。
3. 能带理论
周期场中电 子运动的E-K 曲线及能带
由于周期势场的存在， 自由电子的能级发生 分裂，出现允带和禁 带。
电阻率
m*vF
nef e2
nef为单位体积内实际参与传导过程的电子数，称 为有效自由电子数。不同材料nef 不同。一价金属 的nef比二、三价金属多，因此它们的导电性较好。 m*表示电子的有效质量， 它是考虑晶体点阵对电
场作用的结果。
μ为散射系数， μ＝1/l
当电子波通过理想晶体点阵(0K)时,不受散射；只有 晶体在点阵完整性遭到破坏的地方，电子波受到散 射，这就是金属产生电阻的根本原因。 若金属中含有少量杂质，杂质原子使金属正常的结 构发生畸变，对电子波引起额外散射。此时散射系数
当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于 电场强度E，其比例常数σ即为电导率：
J E
电阻率ρ的倒数σ即为电导率，即σ=1/ρ，电导率 的单位为S/m或Ω-1·m-1。 工程上用相对电导率IACS%= σ/ σCu%表征导体材 料的导电性能。
国际标准软纯铜电导率
导体： ρ <10-3Ω·cm；绝缘体： ρ >108 Ω ·cm； 半导体： ρ 值介于10-3～108 Ω ·cm之间。
《材料物理性能》——材料的电学性能
nef e2lF m*vF
当电子波通过完整晶体点阵时 (0K)，将不受散射，电阻为0；lF 为 无穷大；
在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子才受到散射，形成金属 的电阻。
1/ lF 可定义为散射系数，记为 因此电阻率为
m*vF
nef 2
与温度成正比； 杂质原子使晶体点阵的周期性破坏，增加散射系数的值；
《材料物理性能》——材料的电学性能
散射系数可分成两部分：
因此，电阻率记为
T
m*vF nef e2
m*vF nef e2
T
T
此即为Matthiessen定律。
T 基本电阻； 金属剩余电阻。
根据Matthiessen定律可以测定金属晶体的纯度——电学纯 度。指标为：
/ 300K 4.2K
某种载流子输运电荷的电导率 各载流子输运电荷的总电导率
ti+、ti-、te-、th+ 离子迁移数ti>0.99的导体为离子导体； ti<0.99的导体为混 合导体。
第一节 材料的导电性
一、电阻率和电导率
欧姆定律：U=RI R表示导体的电阻，不仅与导体 材料本身的性质有关，而且还与其长度l及截面积S有关， 其值R＝ρl/S，式中ρ 称为电阻率或比电阻。 电阻率只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此 评定材料导电性的基本参数是电阻率或电导率，电阻率的单 位为Ω·m, Ω·cm, μΩ·cm。
《材料物理性能》——材料的电学性能
电阻率与温度的关系
理想金属在0K时电阻为0，当温度 升高时，电阻随温度单调增加；当 有杂质和结构缺陷时，电阻与温度 的关系曲线发生变化。
金属的电阻率随温度升高而增大。 在不同温度区间，电子散射的机制不 同，因此电阻与温度的关系不同。 ➢ 在低温下，“电子－电子”散射对电阻的贡献较为显著； ➢ 所有温度条件下，大多数金属的电阻都取决于“电子－声子”
散射。
《材料物理性能》——材料的电学性能
原子热振动在两个温度区域（以德拜温度D 为临界点）存 在本质差别。其电阻与温度变化规律如下：
T D
T
与温度成正比
与杂质浓度成正比 与温度无关
此时，总电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻。电 阻率遵循马西森定律：
' (T )
ρ(T)与温度有关的电阻率 ρ´与杂质浓度、点缺陷、位错有关
当处于高温时，金属电阻主要由ρ(T)主导；在低温时，ρ´是 主要的。 在极低温度下（4.2K)测得的金属电阻率称为金属剩余电阻 率，可作为衡量金属纯度的重要指标。
《材料物理性能》——材料的电学性能 电子类载流子导电——金属导电性
主要以电子、空穴作为载流子导电的材料，可以 是金属或半导体。
导电机制 由经典自由电子理论得到：
ne2l
mv
由能带理论得到：
nef e2lF m*vF
m* 为考虑晶体点阵对电场作用后电子的有效质量 lF 为Fermi面附近电子的平均自由程