1、材料的電學(xué)材料的電學(xué)材料電學(xué)性質(zhì)的來(lái)源？材料電學(xué)性質(zhì)的來(lái)源？金屬金屬導(dǎo)線導(dǎo)線陶瓷陶瓷絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體信息、控制等領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)信息、控制等領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)超導(dǎo)體超導(dǎo)體逐漸獲得工程上的應(yīng)用逐漸獲得工程上的應(yīng)用意義：通過(guò)材料的電流密度與其所處的電場(chǎng)強(qiáng)意義：通過(guò)材料的電流密度與其所處的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為電導(dǎo)率。度成正比，比例系數(shù)為電導(dǎo)率。工程中工程中相對(duì)電導(dǎo)率相對(duì)電導(dǎo)率(IACS%)表征導(dǎo)體材料的表征導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電性能。將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅的電導(dǎo)率（將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅的電導(dǎo)率（20 C下的電阻率下的電阻率 =1.72410-8 m）定義為）定義為100%，其他導(dǎo)體材料，其他導(dǎo)體材料

2、的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該材料的相對(duì)電的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該材料的相對(duì)電導(dǎo)率。例如導(dǎo)率。例如Fe的相對(duì)電導(dǎo)率僅為的相對(duì)電導(dǎo)率僅為17。設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，材料單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)，材料單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為為n，電子兩次碰撞的平均自由時(shí)間（弛豫時(shí)間），電子兩次碰撞的平均自由時(shí)間（弛豫時(shí)間）為為 ，電子的平均漂移速度為，電子的平均漂移速度為v，電子的電量為，電子的電量為e，質(zhì)量為質(zhì)量為m，則自由電子受到的力，則自由電子受到的力Evfem漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng): 電子在電場(chǎng)力作用下的定向運(yùn)動(dòng)電子在電場(chǎng)力作用下的定向運(yùn)動(dòng)漂移速度漂移速度: 定向運(yùn)動(dòng)的速度定向運(yùn)動(dòng)的速度. 電流密度電

3、流密度V :電子的平均漂移速度電子的平均漂移速度其中其中l(wèi)= v為電子的平均自由程。為電子的平均自由程。meEv電流密度電流密度 EEnvnJmee2所以電導(dǎo)率所以電導(dǎo)率 vnlnmeme22成功地推導(dǎo)出了導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電子導(dǎo)電為主時(shí)，成功地推導(dǎo)出了導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電子導(dǎo)電為主時(shí)，還可推出導(dǎo)體電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系。還可推出導(dǎo)體電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的關(guān)系。與經(jīng)典自由電子理論下的電導(dǎo)率的形式相同。但與經(jīng)典自由電子理論下的電導(dǎo)率的形式相同。但其中的其中的 F、lF、vF分別是費(fèi)米面附近的電子的弛分別是費(fèi)米面附近的電子的弛豫時(shí)間、平均自由程和運(yùn)動(dòng)速度。豫時(shí)間、平均自由程和運(yùn)動(dòng)速度。可以成功地解釋一價(jià)的堿金屬的

4、電導(dǎo)。可以成功地解釋一價(jià)的堿金屬的電導(dǎo)。但對(duì)其他金屬，如過(guò)渡金屬，其電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對(duì)其他金屬，如過(guò)渡金屬，其電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電子分布不是簡(jiǎn)單的費(fèi)米球，必須用能帶理論才電子分布不是簡(jiǎn)單的費(fèi)米球，必須用能帶理論才能解釋其導(dǎo)電性。能解釋其導(dǎo)電性。FF2F2memevnln其中其中n*稱為有效電子數(shù)，表示單位體積內(nèi)實(shí)際稱為有效電子數(shù)，表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過(guò)程的電子數(shù)，參加傳導(dǎo)過(guò)程的電子數(shù)，m*稱為電子的有效質(zhì)稱為電子的有效質(zhì)量，是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。量，是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。此公式不僅適用于金屬，也適用于非金屬。此公式不僅適用于金屬，也適用于非金屬。對(duì)堿金屬，對(duì)堿金屬，n*=

5、n，m*=m，即與自由電子的假設(shè)，即與自由電子的假設(shè)形式相同。形式相同。不同的材料有不同的有效電子密度不同的材料有不同的有效電子密度n*，導(dǎo)致其，導(dǎo)致其導(dǎo)電性的很大差異。導(dǎo)電性的很大差異。FF2F2*e*evml*nm*n價(jià)帶價(jià)帶s電子半充滿，成為傳導(dǎo)電子，所以這些元電子半充滿，成為傳導(dǎo)電子，所以這些元素都是良導(dǎo)體。電阻率只有素都是良導(dǎo)體。電阻率只有10-610-2 cm。1價(jià)帶價(jià)帶s電子充滿。由于滿帶電子不能成為傳導(dǎo)電電子充滿。由于滿帶電子不能成為傳導(dǎo)電子，這些元素似乎應(yīng)為絕緣體。但在三維晶體子，這些元素似乎應(yīng)為絕緣體。但在三維晶體中，由于原子之間的相互作用，能帶交疊中，由于原子之間的相互作

6、用，能帶交疊費(fèi)米能級(jí)以上無(wú)禁帶費(fèi)米能級(jí)以上無(wú)禁帶導(dǎo)體。導(dǎo)體。二二二二二二二二4. 四價(jià)元素：最外層電子排布四價(jià)元素：最外層電子排布ns2np4，有未填滿的，有未填滿的p軌道，但形成固體時(shí)，通過(guò)原子間的電子共用使軌道，但形成固體時(shí)，通過(guò)原子間的電子共用使其價(jià)帶滿填。在價(jià)帶之上是空帶，其間有能隙其價(jià)帶滿填。在價(jià)帶之上是空帶，其間有能隙EgGe和和Si的的Eg分別為分別為0.67eV和和1.14eV，室溫下價(jià)帶，室溫下價(jià)帶電子受熱激發(fā)可進(jìn)入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子電子受熱激發(fā)可進(jìn)入導(dǎo)帶，成為傳導(dǎo)電子在在室溫下是半導(dǎo)體，在低溫下是絕緣體。室溫下是半導(dǎo)體，在低溫下是絕緣體。6. 離子晶體一般是絕緣體：一般有與

7、四價(jià)元素相離子晶體一般是絕緣體：一般有與四價(jià)元素相似的能帶結(jié)構(gòu)，而似的能帶結(jié)構(gòu)，而Eg很大，有效電子數(shù)是很大，有效電子數(shù)是0。例：例：NaCl晶體，晶體，Na+離子的離子的3s電子移到電子移到Cl-離子的離子的3p軌道，使軌道，使3s成為空帶，成為空帶，3p成為滿帶，其間是成為滿帶，其間是10eV的禁帶，熱激發(fā)不能使之進(jìn)入導(dǎo)帶。的禁帶，熱激發(fā)不能使之進(jìn)入導(dǎo)帶。實(shí)際晶體總有雜質(zhì)和缺陷實(shí)際晶體總有雜質(zhì)和缺陷散射電子散射電子晶格振動(dòng)：只要溫度不在絕晶格振動(dòng)：只要溫度不在絕對(duì)零度，晶體中的原子總是對(duì)零度，晶體中的原子總是以平衡位置為中心不停地振以平衡位置為中心不停地振動(dòng)，在彈性范圍內(nèi)交替聚攏動(dòng)，在彈性

8、范圍內(nèi)交替聚攏和分離和分離晶體中任何時(shí)候晶體中任何時(shí)候都有許多原子處于與理想的都有許多原子處于與理想的平衡位置偏離的位置，對(duì)平衡位置偏離的位置，對(duì)自自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生散射由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生散射。晶格熱振動(dòng)有波的形式，稱為晶格波或點(diǎn)陣波，晶格熱振動(dòng)有波的形式，稱為晶格波或點(diǎn)陣波，其能量也是量子化的。其能量也是量子化的。將晶格振動(dòng)波的能量子稱將晶格振動(dòng)波的能量子稱為聲子。為聲子。由前面的推導(dǎo)知，電阻率由前面的推導(dǎo)知，電阻率理想晶體理想晶體中無(wú)雜質(zhì)散射電子中無(wú)雜質(zhì)散射電子，只有聲子散射電只有聲子散射電子，所以電子的平均自由程子，所以電子的平均自由程lF由聲子數(shù)目決定。由聲子數(shù)目決定。聲子數(shù)目隨溫度升高

9、而增多，在不同的溫度范聲子數(shù)目隨溫度升高而增多，在不同的溫度范圍有不同的規(guī)律。圍有不同的規(guī)律。FF2F1*e*m1llnv其中其中 D為德拜溫度，即為德拜溫度，即具有原子間距的波長(zhǎng)的聲具有原子間距的波長(zhǎng)的聲子被激發(fā)的溫度子被激發(fā)的溫度。在在T0的情形，即金屬中不一的情形，即金屬中不一定是簡(jiǎn)單的自由電子導(dǎo)電，如定是簡(jiǎn)單的自由電子導(dǎo)電，如Zn、Fe等能帶結(jié)構(gòu)等能帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能由空穴控制傳導(dǎo)復(fù)雜，可能由空穴控制傳導(dǎo)霍爾系數(shù)反常現(xiàn)霍爾系數(shù)反常現(xiàn)象象。對(duì)這一現(xiàn)象的揭示促進(jìn)了量子理論的建立。對(duì)這一現(xiàn)象的揭示促進(jìn)了量子理論的建立。應(yīng)用：應(yīng)用：通過(guò)霍爾效應(yīng)通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量硅材料的雜質(zhì)濃度測(cè)量硅材料的雜質(zhì)濃度

10、，感量為，感量為1018/m3的量級(jí)的量級(jí)硅晶體的原子濃度（單位體硅晶體的原子濃度（單位體積內(nèi)的原子數(shù)）為積內(nèi)的原子數(shù)）為1028/m3的量級(jí)的量級(jí)測(cè)量的相測(cè)量的相對(duì)精度可達(dá)對(duì)精度可達(dá)10-10的量級(jí)的量級(jí)高于所有化學(xué)分析方高于所有化學(xué)分析方法法霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度Ey正比于外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又正比于外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又正比于霍爾電壓正比于霍爾電壓Vy可通過(guò)可通過(guò)Vy的測(cè)量來(lái)測(cè)量磁的測(cè)量來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度用用霍爾效應(yīng)制成磁強(qiáng)計(jì)霍爾效應(yīng)制成磁強(qiáng)計(jì)。根據(jù)霍爾效應(yīng)還可制成根據(jù)霍爾效應(yīng)還可制成霍爾器件霍爾器件，用來(lái)制作非接，用來(lái)制作非接觸開關(guān)和傳感器等，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控觸開關(guān)和傳

11、感器等，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。帶電荷的離子脫離晶格束縛，在電場(chǎng)中作定向移動(dòng)，帶電荷的離子脫離晶格束縛，在電場(chǎng)中作定向移動(dòng)，即離子成為載流子傳導(dǎo)電流（間隙離子或缺陷）。即離子成為載流子傳導(dǎo)電流（間隙離子或缺陷）。離子晶體的導(dǎo)電分為兩種：離子晶體的導(dǎo)電分為兩種：1.由于熱缺陷在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電性是本征由于熱缺陷在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電性是本征導(dǎo)電；導(dǎo)電；2. 載流子是雜質(zhì)離子稱為雜質(zhì)導(dǎo)電；載流子是雜質(zhì)離子稱為雜質(zhì)導(dǎo)電；低溫是雜質(zhì)導(dǎo)電，高溫是本征導(dǎo)電。低溫是雜質(zhì)導(dǎo)電，高溫是本征導(dǎo)電。在沒有外電場(chǎng)時(shí)，這些缺陷作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，在沒有外電場(chǎng)時(shí)，這些缺陷作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生

12、宏觀的電流。當(dāng)有外電場(chǎng)存在時(shí)，這些缺不產(chǎn)生宏觀的電流。當(dāng)有外電場(chǎng)存在時(shí)，這些缺陷除作布朗運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)定向的漂移運(yùn)動(dòng)，陷除作布朗運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)定向的漂移運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生宏觀電流。從而產(chǎn)生宏觀電流。正負(fù)電荷漂移的方向是相反正負(fù)電荷漂移的方向是相反的但是由于電荷異號(hào)，正負(fù)電荷形成的電流都是的但是由于電荷異號(hào)，正負(fù)電荷形成的電流都是同方向的。同方向的。 v離子遷移時(shí)離子遷移時(shí)的勢(shì)能與位的勢(shì)能與位置和電場(chǎng)的置和電場(chǎng)的關(guān)系無(wú)外場(chǎng)關(guān)系無(wú)外場(chǎng) 未加電場(chǎng)，未加電場(chǎng)，V表示沿阻力最小方向的遷移需要越表示沿阻力最小方向的遷移需要越過(guò)的勢(shì)壘過(guò)的勢(shì)壘: 未加電場(chǎng)的一維遷移頻率，單位時(shí)間內(nèi)的遷移次未加電場(chǎng)的一維遷移頻

13、率，單位時(shí)間內(nèi)的遷移次數(shù)數(shù): 其中：其中：kT/h為離子在勢(shì)阱中的振動(dòng)頻率，不同方為離子在勢(shì)阱中的振動(dòng)頻率，不同方向的頻率相等，任何方向無(wú)凈遷移向的頻率相等，任何方向無(wú)凈遷移)exp(kTVhkTP 當(dāng)離子處于外電場(chǎng)中時(shí)，沿著電場(chǎng)方向勢(shì)壘降當(dāng)離子處于外電場(chǎng)中時(shí)，沿著電場(chǎng)方向勢(shì)壘降低，與電場(chǎng)相反方向勢(shì)壘升高，兩個(gè)方向的離低，與電場(chǎng)相反方向勢(shì)壘升高，兩個(gè)方向的離子遷移難易不同，形成了沿電場(chǎng)方向的離子凈子遷移難易不同，形成了沿電場(chǎng)方向的離子凈遷移，有外加電場(chǎng)的一維遷移勢(shì)壘降低：遷移，有外加電場(chǎng)的一維遷移勢(shì)壘降低：離子遷移時(shí)的勢(shì)離子遷移時(shí)的勢(shì)能與位置和電場(chǎng)能與位置和電場(chǎng)的關(guān)系有外電場(chǎng)的關(guān)系有外電場(chǎng)EZ

14、eEFFbZeEbV.2121)2exp(21)2exp(21)2/exp(21kTFbPPkTFbPkTFbVhkTP離子沿電場(chǎng)方向的遷移頻率：離子沿電場(chǎng)方向的遷移頻率：)2exp()2exp(21)(kTFbkTFbbPPPb離子沿電場(chǎng)正方向的凈遷移，平均遷移速度：離子沿電場(chǎng)正方向的凈遷移，平均遷移速度：可見溫度較高且電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，可形成凈遷移速率。可見溫度較高且電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，可形成凈遷移速率。)2exp(21時(shí)，2b2時(shí)，2b2kTFbbPkTFkTPFbkTF當(dāng)當(dāng)E較低即較低即:當(dāng)當(dāng)E足夠強(qiáng)即足夠強(qiáng)即:室溫下，因室溫下，因Fb遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于2kT，故電流密度：，故電流密度：kTPEbenZk

15、TPFnZebnZeJ222222勢(shì)壘可表示為：勢(shì)壘可表示為：V=G/N0G為離子導(dǎo)電時(shí)的摩爾自由能變化，稱為電導(dǎo)為離子導(dǎo)電時(shí)的摩爾自由能變化，稱為電導(dǎo)活化能活化能)exp(2)exp(2222222RTGhEbenZkTVhkTkTEbenZJ所以電阻率為：所以電阻率為：TBARTGbenZhRTGbenZhJE2222222lnln即)exp(2電導(dǎo)率為：電導(dǎo)率為：TCRTGhbenE0222ln2ln1lnln電導(dǎo)率和電阻率的對(duì)數(shù)都與電導(dǎo)率和電阻率的對(duì)數(shù)都與1/T成直線關(guān)系成直線關(guān)系RTHRShbenERTSTHhbenE)exp(2ln2lnln222222因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篏= H-T S

16、1.從電阻從電阻- 1/T曲線斜率可得到離子導(dǎo)電過(guò)程中曲線斜率可得到離子導(dǎo)電過(guò)程中的自由能的自由能G的變化的變化(6-59， 6-61)2.從電阻從電阻- 1/T曲線斜率和截距可得到離子導(dǎo)電曲線斜率和截距可得到離子導(dǎo)電過(guò)程中的焓變和熵變過(guò)程中的焓變和熵變(6-64)exp(TBAiiiqkTDnqkTnqD求出離子的擴(kuò)散系數(shù),，由于2多種離子載流子參與導(dǎo)電多種離子載流子參與導(dǎo)電離子的導(dǎo)電實(shí)際上是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)離子的導(dǎo)電實(shí)際上是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象，可推出象，可推出離子導(dǎo)電的電導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系離子導(dǎo)電的電導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系，即即能斯特能斯特-愛因斯坦方程愛因斯坦方程：離子導(dǎo)

17、電的影響因素離子導(dǎo)電的影響因素溫度與離子導(dǎo)電的電導(dǎo)率成指數(shù)關(guān)系溫度與離子導(dǎo)電的電導(dǎo)率成指數(shù)關(guān)系離子的性質(zhì)：離子的性質(zhì)： 1.離子晶體的熔點(diǎn)離子晶體的熔點(diǎn) 2.負(fù)離子半徑的大小負(fù)離子半徑的大小晶體的結(jié)構(gòu)：間隙大離子易于遷移，激活能小，晶體的結(jié)構(gòu)：間隙大離子易于遷移，激活能小， 電導(dǎo)率大電導(dǎo)率大點(diǎn)缺陷與摻雜點(diǎn)缺陷與摻雜分類，分類， 特征，特征， 應(yīng)用應(yīng)用快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體汞在低溫下的電阻與溫度的關(guān)系汞在低溫下的電阻與溫度的關(guān)系超導(dǎo)現(xiàn)象：某些導(dǎo)體在溫度低于某特定溫度時(shí)，超導(dǎo)現(xiàn)象：某些導(dǎo)體在溫度低于某特定溫度時(shí)，電阻突然降為零的現(xiàn)象。電阻突然降為零的現(xiàn)象。在在4.2K附近電附近電阻突然降低到阻突然降

18、低到無(wú)法檢測(cè)到的無(wú)法檢測(cè)到的程度程度1908，荷蘭，荷蘭Kamerlingh Onnes得到得到1K的低溫，的低溫，1911年他發(fā)現(xiàn)年他發(fā)現(xiàn)零電阻：超導(dǎo)態(tài)的電阻率小于目前可以檢測(cè)到零電阻：超導(dǎo)態(tài)的電阻率小于目前可以檢測(cè)到的小電阻率的小電阻率10-23 m。大多數(shù)的金屬中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，大多數(shù)的金屬中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，陶瓷和聚合物中也發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。陶瓷和聚合物中也發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度Tc：出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的最高溫度2 2 邁斯納邁斯納 (Meissner)(Meissner)效應(yīng)效應(yīng)正常態(tài)正常態(tài)(TTc)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)(TTc)TTcV、Nb、Ta以外有超以外有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬都是

19、第導(dǎo)性質(zhì)的金屬都是第類超導(dǎo)體。類超導(dǎo)體。M Hc H Hc稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。3 3 兩類超導(dǎo)體和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度兩類超導(dǎo)體和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度第一類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體磁場(chǎng)強(qiáng)度增至臨界值磁場(chǎng)強(qiáng)度增至臨界值Hc，磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度M突然降突然降至至0，材料中出現(xiàn)磁感，材料中出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，即邁斯納效應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度，即邁斯納效應(yīng)消失，超導(dǎo)態(tài)消失轉(zhuǎn)至消失，超導(dǎo)態(tài)消失轉(zhuǎn)至正常傳導(dǎo)正常傳導(dǎo)其中其中H0是是0K時(shí)的臨時(shí)的臨界磁場(chǎng)。界磁場(chǎng)。2c0c-1TTHH可見臨界溫度以下只可見臨界溫度以下只是出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的必要是出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的必要條件，而非充分條件條件，而非充分條件部分材料的臨界磁場(chǎng)部分材料的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度與

20、溫度的關(guān)系。強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。V、Nb、Ta以以及合金和化合及合金和化合物超導(dǎo)體都是物超導(dǎo)體都是第第II類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體M Hc1 Hc2 H 外磁場(chǎng)強(qiáng)度增至外磁場(chǎng)強(qiáng)度增至Hc1時(shí)，材料的磁時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度開始降低，使材料中出現(xiàn)化強(qiáng)度開始降低，使材料中出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，但邁斯納效應(yīng)只部磁感應(yīng)強(qiáng)度，但邁斯納效應(yīng)只部分消失，部分超導(dǎo)態(tài)被破壞。分消失，部分超導(dǎo)態(tài)被破壞。外磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)外磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)Hc2時(shí)超導(dǎo)態(tài)被完全破時(shí)超導(dǎo)態(tài)被完全破壞，材料內(nèi)的磁化強(qiáng)度變?yōu)閴模牧蟽?nèi)的磁化強(qiáng)度變?yōu)?。Hc1和和Hc2分別稱為上、分別稱為上、下臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度下臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度第二類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體 H Hc2 正常相 混合相

21、 Hc1 邁斯納相 Tc T 超導(dǎo)體在電流通過(guò)時(shí)也產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電流產(chǎn)生的超導(dǎo)體在電流通過(guò)時(shí)也產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)之和超過(guò)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)之和超過(guò)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc時(shí)，超導(dǎo)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，此時(shí)的電流密度態(tài)被破壞，此時(shí)的電流密度Jc稱為臨界電流密稱為臨界電流密度度保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流。保持超導(dǎo)態(tài)的最大輸入電流。外磁場(chǎng)升高，外磁場(chǎng)升高，Jc降低，當(dāng)外磁場(chǎng)為降低，當(dāng)外磁場(chǎng)為0時(shí)時(shí)Jc最大。最大。 超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)：臨界溫度超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)：臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度Hc、臨界電流密度、臨界電流密度Jc。處于超導(dǎo)態(tài)的充分條件：溫度、外磁場(chǎng)、電流密處于超導(dǎo)態(tài)

22、的充分條件：溫度、外磁場(chǎng)、電流密度都低于這三個(gè)臨界值。度都低于這三個(gè)臨界值。這三個(gè)參數(shù)的高低是超導(dǎo)體能否實(shí)用的關(guān)鍵。這三個(gè)參數(shù)的高低是超導(dǎo)體能否實(shí)用的關(guān)鍵。4 4 臨界電流密度臨界電流密度Josephson理論理論先預(yù)言，實(shí)驗(yàn)證明薄先預(yù)言，實(shí)驗(yàn)證明薄片為正常導(dǎo)體或真空片為正常導(dǎo)體或真空也可。也可。5 5 約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)I 超導(dǎo) Ic 正常傳導(dǎo) 0 Vc V 由于隧道效應(yīng)，由于隧道效應(yīng)，電流可流過(guò)絕緣電流可流過(guò)絕緣體體,且兩側(cè)的超導(dǎo)且兩側(cè)的超導(dǎo)體層之間沒有電體層之間沒有電壓，整個(gè)結(jié)構(gòu)顯壓，整個(gè)結(jié)構(gòu)顯示出零電阻效應(yīng)示出零電阻效應(yīng)電流超過(guò)電流超過(guò)Ic正常正常傳導(dǎo)，服從歐姆定律傳導(dǎo)，服從歐姆

23、定律正常傳導(dǎo)態(tài)的自由正常傳導(dǎo)態(tài)的自由能是常數(shù)。超導(dǎo)態(tài)能是常數(shù)。超導(dǎo)態(tài)的自由能隨磁場(chǎng)強(qiáng)的自由能隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化。度變化。G 正常傳導(dǎo)態(tài) Gn 超導(dǎo)態(tài) Gs 0 Hc H 臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc：Gs=Gn當(dāng)當(dāng)HHc，GsGn，體系自發(fā)向超導(dǎo)體系自發(fā)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)化態(tài)轉(zhuǎn)化正常正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)是一態(tài)到超導(dǎo)態(tài)是一種相變。種相變。1 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)自由能變化自由能變化超導(dǎo)態(tài)更超導(dǎo)態(tài)更有序有序從正從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)是由一種導(dǎo)態(tài)是由一種無(wú)序的高能態(tài)無(wú)序的高能態(tài)向有序的低能向有序的低能態(tài)態(tài)“凝聚凝聚”的的過(guò)程。過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：錫的熵實(shí)驗(yàn)結(jié)果：錫的熵熵變熵變?cè)跓o(wú)磁場(chǎng)存在時(shí)，可以推導(dǎo)

24、從在在無(wú)磁場(chǎng)存在時(shí)，可以推導(dǎo)從在T=Tc時(shí)，比熱時(shí)，比熱容有突變。容有突變。晶體結(jié)構(gòu)分析：超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)沒有晶體結(jié)構(gòu)分析：超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)沒有可察覺的差別。可察覺的差別。德拜溫度測(cè)量：未發(fā)現(xiàn)明顯的變化德拜溫度測(cè)量：未發(fā)現(xiàn)明顯的變化兩相晶格兩相晶格振動(dòng)基本相同振動(dòng)基本相同猜測(cè)猜測(cè)電子的有序度發(fā)生了變化電子的有序度發(fā)生了變化自由能和熵的變化自由能和熵的變化磁場(chǎng)存在時(shí)由正常態(tài)到磁場(chǎng)存在時(shí)由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變有潛熱放出超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變有潛熱放出一級(jí)相變一級(jí)相變。比熱容的突比熱容的突變，轉(zhuǎn)變時(shí)變，轉(zhuǎn)變時(shí)沒有潛熱沒有潛熱在無(wú)磁場(chǎng)在無(wú)磁場(chǎng)的條件下的的條件下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是二級(jí)相變。二級(jí)

25、相變。2 超導(dǎo)轉(zhuǎn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的機(jī)理變的機(jī)理l同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)l超導(dǎo)能隙超導(dǎo)能隙l庫(kù)柏電子對(duì)庫(kù)柏電子對(duì)l相干長(zhǎng)度相干長(zhǎng)度lBCS理論理論超導(dǎo)體的微觀機(jī)制超導(dǎo)體的微觀機(jī)制 熱力學(xué)的研究結(jié)果熱力學(xué)的研究結(jié)果磁場(chǎng)下是一級(jí)相變，無(wú)磁磁場(chǎng)下是一級(jí)相變，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)為二級(jí)相變。場(chǎng)時(shí)為二級(jí)相變。相變前后未觀察到晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)的變化相變前后未觀察到晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)的變化推測(cè)推測(cè)超導(dǎo)相變是由電子的行為超導(dǎo)相變是由電子的行為引起。引起。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：“同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)”，即某超導(dǎo)體樣品的，即某超導(dǎo)體樣品的臨界溫度與他的同位素原子量的平方根成反比。臨界溫度與他的同位素原子量的平方根成反比。同位素效應(yīng)是麥克

26、斯韋和雷諾在同位素效應(yīng)是麥克斯韋和雷諾在1950年各自測(cè)量年各自測(cè)量水銀的同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)的。隨著水水銀的同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)的。隨著水銀同位素質(zhì)量的增高，臨界溫度降低。得到原子銀同位素質(zhì)量的增高，臨界溫度降低。得到原子質(zhì)量質(zhì)量M和臨界溫度和臨界溫度Tc的簡(jiǎn)單關(guān)系：的簡(jiǎn)單關(guān)系：Tc= 1/M ，其，其中，中， =0.50 0.03。這種轉(zhuǎn)變溫度這種轉(zhuǎn)變溫度Tc依賴于同位依賴于同位素質(zhì)量素質(zhì)量的現(xiàn)象就是同位素效應(yīng)。的現(xiàn)象就是同位素效應(yīng)。l同種材料同位素在化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、電子組同種材料同位素在化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)及靜電性質(zhì)等方面都相同，只是態(tài)及靜電性質(zhì)等方面都相同，只是

27、不同原子量不同原子量對(duì)對(duì)晶體點(diǎn)陣的熱振動(dòng)晶體點(diǎn)陣的熱振動(dòng)(晶格振動(dòng)晶格振動(dòng))的特性有影響。的特性有影響。l如果構(gòu)成晶格的離子質(zhì)量不同，在給定條件的情如果構(gòu)成晶格的離子質(zhì)量不同，在給定條件的情況下，晶格振動(dòng)的頻率會(huì)依離子質(zhì)量不同而發(fā)生況下，晶格振動(dòng)的頻率會(huì)依離子質(zhì)量不同而發(fā)生變化，即變化，即離子質(zhì)量離子質(zhì)量可以反映出可以反映出晶體的性質(zhì)晶體的性質(zhì)。l從式從式 Tc= 1/M 可看出，離子質(zhì)量可看出，離子質(zhì)量反映了晶體反映了晶體的性質(zhì)，臨界溫度的性質(zhì)，臨界溫度Tc反映了電子性質(zhì)，所以，同反映了電子性質(zhì)，所以，同位素效應(yīng)把晶格與電子聯(lián)系起來(lái)了。位素效應(yīng)把晶格與電子聯(lián)系起來(lái)了。同位素效應(yīng)顯示了超導(dǎo)體中

28、的電子行為和聲同位素效應(yīng)顯示了超導(dǎo)體中的電子行為和聲子之間有密切的聯(lián)系。子之間有密切的聯(lián)系。當(dāng)頻率為當(dāng)頻率為 的電磁波照射的電磁波照射到超導(dǎo)體上時(shí)，由于超到超導(dǎo)體上時(shí)，由于超導(dǎo)能隙導(dǎo)能隙Eg的存在，只有的存在，只有當(dāng)照射頻率滿足式當(dāng)照射頻率滿足式 h Eg時(shí)，激發(fā)過(guò)程才會(huì)發(fā)時(shí)，激發(fā)過(guò)程才會(huì)發(fā)生。生。超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常金屬不同，右圖在金屬不同，右圖在T=0K的電子能譜示意圖。在費(fèi)的電子能譜示意圖。在費(fèi)米能米能EF附近出現(xiàn)了一個(gè)附近出現(xiàn)了一個(gè)半寬度為半寬度為的能量間隔，的能量間隔，在這個(gè)能量?jī)?nèi)不能有電子在這個(gè)能量?jī)?nèi)不能有電子存在，人們把這個(gè)存在，人們把這個(gè)叫做叫做超導(dǎo)能隙

29、，能隙大約是超導(dǎo)能隙，能隙大約是10-3-10-4eV數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。在在0K，能量處于能隙下邊緣以下能量處于能隙下邊緣以下的各態(tài)全被占據(jù)，而能隙的各態(tài)全被占據(jù)，而能隙以上的各態(tài)則全空著，這以上的各態(tài)則全空著，這就是超導(dǎo)基態(tài)。就是超導(dǎo)基態(tài)。用不同頻率的光子照射超導(dǎo)體用不同頻率的光子照射超導(dǎo)體從超導(dǎo)體吸收從超導(dǎo)體吸收的光子頻率（能量）可以測(cè)出能隙的大小的光子頻率（能量）可以測(cè)出能隙的大小kTc的的數(shù)量級(jí)，其中數(shù)量級(jí)，其中k為玻耳茲曼常數(shù)。為玻耳茲曼常數(shù)。按按Tc=4K計(jì)算，能隙在萬(wàn)分之一計(jì)算，能隙在萬(wàn)分之一eV的數(shù)量級(jí)。的數(shù)量級(jí)。正常傳導(dǎo)正常傳導(dǎo)電子的能量是電子的能量是1eV的量級(jí)的量級(jí)超導(dǎo)相變

30、前后電子的能量只變化了原來(lái)的萬(wàn)超導(dǎo)相變前后電子的能量只變化了原來(lái)的萬(wàn)分之一左右分之一左右聲子的能量恰是這一數(shù)量級(jí)聲子的能量恰是這一數(shù)量級(jí)聲子與超導(dǎo)相變聲子與超導(dǎo)相變有密切的聯(lián)系有密切的聯(lián)系。明確指出是電子凝聚產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，成功解釋明確指出是電子凝聚產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，成功解釋超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)和電磁性質(zhì)。超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)和電磁性質(zhì)。不能解釋為什么在不能解釋為什么在Tc溫度會(huì)開始電子凝聚。溫度會(huì)開始電子凝聚。從波函數(shù)和電子動(dòng)量的推導(dǎo)預(yù)言超導(dǎo)的載流子是從波函數(shù)和電子動(dòng)量的推導(dǎo)預(yù)言超導(dǎo)的載流子是電子對(duì)，并推導(dǎo)出了電子對(duì)，并推導(dǎo)出了電子對(duì)尺寸（關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度）電子對(duì)尺寸（關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度）和和邁斯納現(xiàn)象的穿透深度邁斯納現(xiàn)象

31、的穿透深度。二流體理論二流體理論London理論理論l庫(kù)柏電子對(duì)理論是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)，該理論庫(kù)柏電子對(duì)理論是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)，該理論認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)是由認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)是由正則動(dòng)量為零正則動(dòng)量為零的超導(dǎo)電子組成的的超導(dǎo)電子組成的，它是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象，要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，它是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象，要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，必須有吸引的作用存在。必須有吸引的作用存在。l當(dāng)電子間存在這種凈吸引作用時(shí)，費(fèi)米面附近存當(dāng)電子間存在這種凈吸引作用時(shí)，費(fèi)米面附近存在一個(gè)動(dòng)量大小相等而方向相反且自旋相反的兩在一個(gè)動(dòng)量大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子的總能電子束縛態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子的總

32、能量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為庫(kù)柏電子對(duì)庫(kù)柏電子對(duì)。庫(kù)帕（庫(kù)帕（Cooper）對(duì)對(duì)1956年年Cooper證明：費(fèi)米面附近能量分別為證明：費(fèi)米面附近能量分別為E1、E2的兩電子的兩電子1和和2，只要他們有相互吸引作用，不，只要他們有相互吸引作用，不論其作用多么弱或來(lái)自何種機(jī)制，論其作用多么弱或來(lái)自何種機(jī)制，都要形成束縛都要形成束縛態(tài)，使電子的總能量就略小于態(tài)，使電子的總能量就略小于E1+E2。一對(duì)能量和費(fèi)米能相近，動(dòng)量大小相等方向相反，一對(duì)能量和費(fèi)米能相近，動(dòng)量大小相等方向相反，自旋方向相反，相互束縛在一起的電子對(duì)稱為自旋方向相反，相互束縛在一起的電子對(duì)稱為Cooper

33、對(duì)對(duì)庫(kù)帕對(duì)降低總能量庫(kù)帕對(duì)降低總能量穩(wěn)定穩(wěn)定大量自由電子形成庫(kù)帕對(duì)大量自由電子形成庫(kù)帕對(duì)超導(dǎo)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)超導(dǎo)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)，它對(duì)周圍的正離子有電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)，它對(duì)周圍的正離子有吸引作用，從而造成吸引作用，從而造成，導(dǎo)致對(duì)另外電子的吸引作用。這樣兩個(gè)電子導(dǎo)致對(duì)另外電子的吸引作用。這樣兩個(gè)電子。 電子是通過(guò)吸收和發(fā)射聲子形成庫(kù)帕對(duì)的，聲子電子是通過(guò)吸收和發(fā)射聲子形成庫(kù)帕對(duì)的，聲子的平均能量大約是的平均能量大約是k D，所以與費(fèi)米能相差小于，所以與費(fèi)米能相差小于k D的電子可形成庫(kù)帕對(duì)。的電子可形成庫(kù)帕對(duì)。凝聚能密度凝聚能密度：一定溫度下庫(kù)帕對(duì)形成引起的單位：一定溫度下庫(kù)帕對(duì)

34、形成引起的單位體積材料的總能量降低值。體積材料的總能量降低值。可以證明在可以證明在T=Tc時(shí)凝聚能密度為時(shí)凝聚能密度為0，隨溫度降低，隨溫度降低，凝聚能密度增大，凝聚到超導(dǎo)態(tài)的電子數(shù)增加。凝聚能密度增大，凝聚到超導(dǎo)態(tài)的電子數(shù)增加。在絕對(duì)零度費(fèi)米面附近的電子全部形成庫(kù)帕對(duì)在絕對(duì)零度費(fèi)米面附近的電子全部形成庫(kù)帕對(duì)解釋了超導(dǎo)相變的原因，并可計(jì)算解釋了超導(dǎo)相變的原因，并可計(jì)算Tc。BCS理論理論正常傳導(dǎo)：載流子受到散射而損失了能量產(chǎn)生電正常傳導(dǎo)：載流子受到散射而損失了能量產(chǎn)生電阻，晶格從散射過(guò)程中獲得了能量，即焦耳熱。阻，晶格從散射過(guò)程中獲得了能量，即焦耳熱。超導(dǎo)態(tài)：組成庫(kù)帕對(duì)的電子也被散射，但這種散

35、超導(dǎo)態(tài)：組成庫(kù)帕對(duì)的電子也被散射，但這種散射不影響庫(kù)帕對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量，只是使庫(kù)帕對(duì)得以射不影響庫(kù)帕對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量，只是使庫(kù)帕對(duì)得以維持維持電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)庫(kù)帕對(duì)的定向勻速運(yùn)電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)庫(kù)帕對(duì)的定向勻速運(yùn)動(dòng)不受阻礙，電子的能量無(wú)損失動(dòng)不受阻礙，電子的能量無(wú)損失無(wú)電阻無(wú)電阻改變庫(kù)帕對(duì)質(zhì)心動(dòng)量的散射才會(huì)呈現(xiàn)電阻改變庫(kù)帕對(duì)質(zhì)心動(dòng)量的散射才會(huì)呈現(xiàn)電阻是是一種拆散庫(kù)帕對(duì)的散射一種拆散庫(kù)帕對(duì)的散射拆散庫(kù)帕對(duì)需要能量拆散庫(kù)帕對(duì)需要能量電流密度低時(shí)無(wú)法提供拆對(duì)的能量，所以電流密度低時(shí)無(wú)法提供拆對(duì)的能量，所以能改變能改變庫(kù)帕對(duì)總動(dòng)量的散射被完全制止庫(kù)帕對(duì)總動(dòng)量的散射被完全制止超導(dǎo)態(tài)庫(kù)帕超導(dǎo)態(tài)庫(kù)帕對(duì)電子受到聲子散射

36、后又同時(shí)吸收了同樣的聲子，對(duì)電子受到聲子散射后又同時(shí)吸收了同樣的聲子，電子能量無(wú)損失，不需要外電場(chǎng)做功補(bǔ)償能量和電子能量無(wú)損失，不需要外電場(chǎng)做功補(bǔ)償能量和動(dòng)量動(dòng)量無(wú)電阻。無(wú)電阻。但從該理論通過(guò)嚴(yán)密計(jì)算得到所有超導(dǎo)體的臨界但從該理論通過(guò)嚴(yán)密計(jì)算得到所有超導(dǎo)體的臨界溫度溫度Tc不超過(guò)不超過(guò)30K，現(xiàn)在已經(jīng)研制出現(xiàn)在已經(jīng)研制出Tc高于高于160K的高溫超導(dǎo)材料的高溫超導(dǎo)材料一些科學(xué)家認(rèn)為，量子理論對(duì)超導(dǎo)解釋的缺一些科學(xué)家認(rèn)為，量子理論對(duì)超導(dǎo)解釋的缺陷孕育著新的理論的出現(xiàn)，可能帶來(lái)科學(xué)的巨變陷孕育著新的理論的出現(xiàn)，可能帶來(lái)科學(xué)的巨變用于前一種場(chǎng)合的超導(dǎo)材料稱為強(qiáng)電超導(dǎo)材料，用于前一種場(chǎng)合的超導(dǎo)材料稱為

37、強(qiáng)電超導(dǎo)材料，用于后一種場(chǎng)合的只涉及小電流和弱磁場(chǎng)，稱為用于后一種場(chǎng)合的只涉及小電流和弱磁場(chǎng)，稱為弱連接超導(dǎo)材料或超導(dǎo)電子材料。弱連接超導(dǎo)材料或超導(dǎo)電子材料。約瑟夫森器件約瑟夫森器件很弱的磁場(chǎng)就可以使通過(guò)約瑟很弱的磁場(chǎng)就可以使通過(guò)約瑟夫森結(jié)的電流從最大變到最小夫森結(jié)的電流從最大變到最小超導(dǎo)量子干涉超導(dǎo)量子干涉器件器件(SQUID)可探測(cè)微弱的電磁信號(hào)。可探測(cè)微弱的電磁信號(hào)。日本用日本用SQUID探測(cè)腦聲刺激的反應(yīng)，能探測(cè)人腦探測(cè)腦聲刺激的反應(yīng)，能探測(cè)人腦發(fā)生的發(fā)生的1110-15T的超微弱磁場(chǎng)。的超微弱磁場(chǎng)。美國(guó)制成了目前最準(zhǔn)確的電壓標(biāo)準(zhǔn)儀器，已經(jīng)在美國(guó)制成了目前最準(zhǔn)確的電壓標(biāo)準(zhǔn)儀器，已經(jīng)在美

38、國(guó)國(guó)家計(jì)量局作為電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了幾十年。美國(guó)國(guó)家計(jì)量局作為電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了幾十年。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)也已制造成功。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)也已制造成功。1960年起研制超導(dǎo)電纜用于輸電年起研制超導(dǎo)電纜用于輸電尚無(wú)工業(yè)規(guī)尚無(wú)工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。模的應(yīng)用。應(yīng)用的主要障礙：應(yīng)用的主要障礙：Tc低實(shí)用的強(qiáng)電超導(dǎo)體低實(shí)用的強(qiáng)電超導(dǎo)體穩(wěn)定且容易加工成型的合金超導(dǎo)體。穩(wěn)定且容易加工成型的合金超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體不穩(wěn)定，一般是陶瓷，難于制成線材高溫超導(dǎo)體不穩(wěn)定，一般是陶瓷，難于制成線材臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制。臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制。超導(dǎo)體與正常導(dǎo)體的連接也比較困難。超導(dǎo)體與正常導(dǎo)體的連接也比較困難。理論不完善理論不完善超

39、導(dǎo)臨界參數(shù)的極限？能否獲得超導(dǎo)臨界參數(shù)的極限？能否獲得Tc高于室溫的超導(dǎo)體？高于室溫的超導(dǎo)體？1986，IBM，M u l l e r 和和Bednorz：金屬氧化物金屬氧化物超導(dǎo)體。超導(dǎo)體。1987，趙忠賢趙忠賢等：等：Tc達(dá)液氮達(dá)液氮溫區(qū)。溫區(qū)。2001：C60/BrH3有有機(jī)超導(dǎo)體，機(jī)超導(dǎo)體，Tc達(dá)達(dá)117K。如果導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端有溫差，則這兩端存在如果導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端有溫差，則這兩端存在電勢(shì)差，這一電勢(shì)差稱為電勢(shì)差，這一電勢(shì)差稱為熱電勢(shì)熱電勢(shì)。假設(shè)多數(shù)載流子是電子。熱端電子能量高，冷端假設(shè)多數(shù)載流子是電子。熱端電子能量高，冷端的電子能量低的電子能量低電子自發(fā)向冷端移動(dòng)電子自發(fā)向冷端移動(dòng)

40、熱端熱端和冷端之間形成電場(chǎng)。和冷端之間形成電場(chǎng)。電場(chǎng)抑制電子進(jìn)一步向冷端流動(dòng)電場(chǎng)抑制電子進(jìn)一步向冷端流動(dòng)建立平衡，建立平衡，平衡時(shí)熱端和冷端之間有一定的熱電勢(shì)。平衡時(shí)熱端和冷端之間有一定的熱電勢(shì)。定義材料在單位溫差下所能產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小定義材料在單位溫差下所能產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小為材料的絕對(duì)熱電塞貝克系數(shù)（絕對(duì)塞貝克系為材料的絕對(duì)熱電塞貝克系數(shù)（絕對(duì)塞貝克系數(shù)），即數(shù)），即絕對(duì)塞貝克系數(shù)絕對(duì)塞貝克系數(shù)V：熱電勢(shì)，熱電勢(shì)，T：溫度溫度TVSddMott和和Jones用量子力學(xué)推導(dǎo)出高溫下用量子力學(xué)推導(dǎo)出高溫下k：玻耳茲曼常數(shù)；玻耳茲曼常數(shù)；e：電子電量；電子電量； ：電導(dǎo)率；：電導(dǎo)率；E：能量，

41、能量，EF：費(fèi)米能。費(fèi)米能。F)(lne3k22EEEETS絕 對(duì) 塞 貝 克絕 對(duì) 塞 貝 克系 數(shù) 分 別 為系 數(shù) 分 別 為SA、SB的導(dǎo)的導(dǎo)體體A、B的之的之間的電動(dòng)勢(shì)間的電動(dòng)勢(shì) EAB=SAB T其中其中SAB=SA-SB 稱為導(dǎo)體稱為導(dǎo)體A、B間的相對(duì)塞貝克間的相對(duì)塞貝克系數(shù)；系數(shù)； T為溫差。為溫差。以同種材料組成回路，則產(chǎn)生的熱電勢(shì)相以同種材料組成回路，則產(chǎn)生的熱電勢(shì)相互抵消，無(wú)熱電流產(chǎn)生。互抵消，無(wú)熱電流產(chǎn)生。主要應(yīng)用主要應(yīng)用測(cè)溫。測(cè)溫。要求：材料具有大的熱電系數(shù)，熱電勢(shì)穩(wěn)定，具要求：材料具有大的熱電系數(shù)，熱電勢(shì)穩(wěn)定，具有良好的重現(xiàn)性。有良好的重現(xiàn)性。R型熱電偶（型熱電偶（

42、PtRh-Pt）常用于高溫測(cè)量。常用于高溫測(cè)量。K型熱電偶（型熱電偶（NiCr-NiAl）常用于中溫測(cè)量。）常用于中溫測(cè)量。低溫測(cè)量常用低溫測(cè)量常用T型熱電偶（銅康銅）和型熱電偶（銅康銅）和J型熱型熱電偶（鐵康銅）。電偶（鐵康銅）。更高溫度的測(cè)量可用鎢錸熱電偶，在惰性或干更高溫度的測(cè)量可用鎢錸熱電偶，在惰性或干燥氫中其使用溫度可達(dá)燥氫中其使用溫度可達(dá)2760 C，短時(shí)間可至，短時(shí)間可至3000 C。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小特殊場(chǎng)合特殊場(chǎng)合高山高山上、南極、月球和太空上、南極、月球和太空已經(jīng)使用和正在開發(fā)的熱電材料都是半導(dǎo)體：已經(jīng)使用和正在開發(fā)的熱電材料都是半導(dǎo)體：低溫區(qū)低溫區(qū)(3004

43、00 C)：Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、Sb2Se3、ZnSb以及他們的復(fù)合體。以及他們的復(fù)合體。中溫區(qū)中溫區(qū)(400700 C):PbTe、SbTe、Bi(SiSb) 2、Bi2(GeSe)3。在高溫區(qū)在高溫區(qū)( 700 C)：CrSi2、MnSi1.73、FeSi2、CoSi、Ge0.7Si0.3、 -AlBi2。實(shí)用的溫差發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到實(shí)用的溫差發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到12以上。以上。電能電能熱能：珀耳帖效應(yīng)焦耳熱熱能：珀耳帖效應(yīng)焦耳熱?焦耳熱焦耳熱向環(huán)境放熱向環(huán)境放熱珀?duì)柼麩徵隊(duì)柼麩釋?dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之間形導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之間形成溫差，即

44、電流使導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之成溫差，即電流使導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部各部分之間形成熱流間形成熱流是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程實(shí)用裝置用半導(dǎo)實(shí)用裝置用半導(dǎo)體，其中體，其中n型和型和p型半導(dǎo)體通過(guò)金型半導(dǎo)體通過(guò)金屬電極連接屬電極連接不影響制冷效率，不影響制冷效率，但提高元件吸熱但提高元件吸熱面積并方便加工。面積并方便加工。中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體定律：熱電偶接入兩端熱電偶接入兩端無(wú)溫差時(shí)，因中無(wú)溫差時(shí)，因中間導(dǎo)體不產(chǎn)生熱間導(dǎo)體不產(chǎn)生熱電勢(shì)，不影響熱電勢(shì)，不影響熱電偶的熱電勢(shì)。電偶的熱電勢(shì)。電子制冷裝電子制冷裝置的原理圖置的原理圖導(dǎo)體或半導(dǎo)體導(dǎo)體或半導(dǎo)體載流子濃度大，載流子在外電載流子濃度大，載

45、流子在外電場(chǎng)的作用下作長(zhǎng)程定向遷移場(chǎng)的作用下作長(zhǎng)程定向遷移絕緣體：載流子濃度很低，在外電場(chǎng)的作用下一絕緣體：載流子濃度很低，在外電場(chǎng)的作用下一般看不到宏觀的載流子長(zhǎng)程定向遷移，但會(huì)產(chǎn)生般看不到宏觀的載流子長(zhǎng)程定向遷移，但會(huì)產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向的電偶極矩或原來(lái)電偶極矩在外電場(chǎng)沿電場(chǎng)方向的電偶極矩或原來(lái)電偶極矩在外電場(chǎng)作用下改變，稱為作用下改變，稱為極化極化電介質(zhì)電介質(zhì)：在外電場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生極化的物質(zhì)。：在外電場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生極化的物質(zhì)。1 極化的概念極化的概念Q=qA= 0EA= 0VA/dq：?jiǎn)挝幻娣e的電荷數(shù)，即電荷密度；：?jiǎn)挝幻娣e的電荷數(shù)，即電荷密度；A：平板：平板的面積；的面積；E：電場(chǎng)強(qiáng)度；

46、：電場(chǎng)強(qiáng)度； 0：真空中的介電常數(shù)；：真空中的介電常數(shù)；d：平板間距；：平板間距；V：平板間的電壓。：平板間的電壓。所以真空平板電容器的電容所以真空平板電容器的電容dAVdVAVQC000 r稱為該材料的相對(duì)稱為該材料的相對(duì)介電常數(shù)，介電常數(shù)， = r 0稱稱為材料的介電常數(shù)。為材料的介電常數(shù)。dAdACC0r0r電容增加的原電容增加的原因：電介質(zhì)在因：電介質(zhì)在電場(chǎng)中產(chǎn)生了電場(chǎng)中產(chǎn)生了極化極化正極正極板附近的電介板附近的電介質(zhì)感生出負(fù)電質(zhì)感生出負(fù)電荷，負(fù)極板附荷，負(fù)極板附近的電介質(zhì)感近的電介質(zhì)感生出正電荷。生出正電荷。這種電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)這種電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷

47、的現(xiàn)象稱為象稱為電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化。極化產(chǎn)生了一個(gè)和外電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，使電介質(zhì)極化產(chǎn)生了一個(gè)和外電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，使電介質(zhì)中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)比外電場(chǎng)小，從而引起電荷的存儲(chǔ)中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)比外電場(chǎng)小，從而引起電荷的存儲(chǔ)能力增加，即電容增加。能力增加，即電容增加。極性分子電介質(zhì)極性分子電介質(zhì)：沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中正：沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中正負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心不重合，分子中存在電偶極子，負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心不重合，分子中存在電偶極子，如如H2O、SO2、H2S、NH3、CO分子等；分子等；非極性分子電介質(zhì)非極性分子電介質(zhì)：沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中：沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，分子中正負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心重合，分子中不存

48、在電偶極正負(fù)電荷的統(tǒng)計(jì)重心重合，分子中不存在電偶極子，如子，如H2、N2、CH4分子等。分子等。極性分子的電偶極子的偶極矩為極性分子的電偶極子的偶極矩為 =ql q：分子中正、負(fù)電荷重心所含的等效電量，：分子中正、負(fù)電荷重心所含的等效電量，l：正、負(fù)電荷重心的距離。正、負(fù)電荷重心的距離。2 與極化相關(guān)的物理量與極化相關(guān)的物理量外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的非極性分子的正、負(fù)外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的非極性分子的正、負(fù)電荷的重心產(chǎn)生分離，產(chǎn)生電偶極矩電荷的重心產(chǎn)生分離，產(chǎn)生電偶極矩電介質(zhì)電介質(zhì)在垂直于外電場(chǎng)的表面上產(chǎn)生一定密度的正負(fù)電在垂直于外電場(chǎng)的表面上產(chǎn)生一定密度的正負(fù)電荷荷非極性分子電介質(zhì)在外電場(chǎng)

49、作用下的極化非極性分子電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下的極化定義電介質(zhì)中單位體積內(nèi)的所有電偶極矩的定義電介質(zhì)中單位體積內(nèi)的所有電偶極矩的矢量矢量和和為（電）極化強(qiáng)度為（電）極化強(qiáng)度V為電介質(zhì)的體積，為電介質(zhì)的體積， 為其中的電偶極矩。為其中的電偶極矩。VP電極化強(qiáng)度不僅與外電場(chǎng)有關(guān)，還和極化電荷電極化強(qiáng)度不僅與外電場(chǎng)有關(guān)，還和極化電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)：所產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)： P= e 0E其中其中 e稱為稱為電極化率電極化率，E為作用于電介質(zhì)的實(shí)際為作用于電介質(zhì)的實(shí)際有效電場(chǎng)強(qiáng)度。有效電場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)平板電容器，有：對(duì)平板電容器，有： 其中其中E0為外電場(chǎng)的強(qiáng)度，為外電場(chǎng)的強(qiáng)度，E 為電介質(zhì)表面的束縛為電介質(zhì)表面

50、的束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。另一方面，均勻無(wú)限大電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度為另一方面，均勻無(wú)限大電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度為真空中的真空中的1/ r，即，即其中其中 為極板上的自由電荷密度為極板上的自由電荷密度。0000-PEEE所以所以 = 0 rErrEE00 P= - 0E= 0 rE- 0E=( 0 r- 0)E=( - 0)E寫成矢量式，有寫成矢量式，有P+ 0E= E D=P+ 0E為電位移矢量或?yàn)殡娢灰剖噶炕螂姼袘?yīng)強(qiáng)度矢量電感應(yīng)強(qiáng)度矢量，則有，則有000EEEDr即在充滿電場(chǎng)的均勻電介質(zhì)中，電位移矢量等即在充滿電場(chǎng)的均勻電介質(zhì)中，電位移矢量等于自由電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)乘以于自由電荷產(chǎn)

51、生的場(chǎng)強(qiáng)乘以 0。又可推知又可推知 P= e 0E=( - 0)E e= r-1即即電極化率和相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系電極化率和相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系。電子質(zhì)量很小，對(duì)電電子質(zhì)量很小，對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)很快，能夠場(chǎng)的反應(yīng)很快，能夠以光頻隨外電場(chǎng)變化。以光頻隨外電場(chǎng)變化。極化時(shí)間極化時(shí)間10-1610-12s3 電介質(zhì)極化的機(jī)制電介質(zhì)極化的機(jī)制沒有受電場(chǎng)作用時(shí)，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶沒有受電場(chǎng)作用時(shí)，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負(fù)電荷中心重合。受電場(chǎng)作用時(shí)，正、負(fù)電荷中正負(fù)電荷中心重合。受電場(chǎng)作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移心產(chǎn)生相對(duì)位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負(fù)電荷電子云發(fā)生了變化而使正、負(fù)電荷中心分

52、離的物理過(guò)程中心分離的物理過(guò)程)，中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子，中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子，從而產(chǎn)生了從而產(chǎn)生了電子位移極化或電子形變極化電子位移極化或電子形變極化。電子、離子的位移極化電子、離子的位移極化固體中的離子在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，離子處在正常結(jié)固體中的離子在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，離子處在正常結(jié)點(diǎn)位置并對(duì)外保持電中性，但在電場(chǎng)作用下固體點(diǎn)位置并對(duì)外保持電中性，但在電場(chǎng)作用下固體中的正負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下向相反方向移動(dòng)，中的正負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下向相反方向移動(dòng)，偏離平衡位置，形成感生偶極矩。也可認(rèn)為離子偏離平衡位置，形成感生偶極矩。也可認(rèn)為離子晶體正負(fù)離子的鍵距在電場(chǎng)方向上被拉長(zhǎng)。晶體正負(fù)離子的鍵距在電場(chǎng)方向上

53、被拉長(zhǎng)。由于離子的質(zhì)量比電子的大得多，其極化建立時(shí)由于離子的質(zhì)量比電子的大得多，其極化建立時(shí)間也遠(yuǎn)比電子慢，約為間也遠(yuǎn)比電子慢，約為10-1210-13s。極性電介質(zhì)中，存在固有偶極矩。無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，極性電介質(zhì)中，存在固有偶極矩。無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，混亂排列，而使混亂排列，而使 , ,在外電場(chǎng)時(shí)，偶極轉(zhuǎn)向，成定向排列，從而使電在外電場(chǎng)時(shí)，偶極轉(zhuǎn)向，成定向排列，從而使電介質(zhì)極化。偶極子正負(fù)電荷中心不重合，好象分介質(zhì)極化。偶極子正負(fù)電荷中心不重合，好象分子的一端帶正電荷，而另一端帶負(fù)電荷，因而形子的一端帶正電荷，而另一端帶負(fù)電荷，因而形成一個(gè)永久的偶極矩。在電場(chǎng)作用下，原來(lái)混亂成一個(gè)永久的偶極矩。在電場(chǎng)作用

54、下，原來(lái)混亂分布的極性分子順電場(chǎng)方向排列，因而顯示出極分布的極性分子順電場(chǎng)方向排列，因而顯示出極性性.取向極化取向極化極性分子電介質(zhì)的分子偶極矩在外電場(chǎng)作用下沿極性分子電介質(zhì)的分子偶極矩在外電場(chǎng)作用下沿外加電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生宏觀偶極矩的極化。外加電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生宏觀偶極矩的極化。取向極化需較長(zhǎng)的時(shí)間，在取向極化需較長(zhǎng)的時(shí)間，在10-210-10s離子晶體離子晶體高分子鏈高分子鏈此外還有電子、離子弛豫極化和空間電荷極化等此外還有電子、離子弛豫極化和空間電荷極化等極化機(jī)制。極化機(jī)制。取向極化過(guò)程中，熱運(yùn)動(dòng)取向極化過(guò)程中，熱運(yùn)動(dòng)(溫度作用溫度作用)和外電場(chǎng)和外電場(chǎng)是使偶極子運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)矛盾方面。偶極

55、子沿外是使偶極子運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)矛盾方面。偶極子沿外電場(chǎng)方向有序化將降低系統(tǒng)能量，但熱運(yùn)動(dòng)破電場(chǎng)方向有序化將降低系統(tǒng)能量，但熱運(yùn)動(dòng)破壞這種有序化。壞這種有序化。在二者平衡條件下、可以計(jì)算出溫度不是很低在二者平衡條件下、可以計(jì)算出溫度不是很低(如室溫如室溫)、外電場(chǎng)不是很高時(shí)材料的取向極化、外電場(chǎng)不是很高時(shí)材料的取向極化率：率：在靜電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)，在靜電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)，在交變電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為動(dòng)態(tài)介電常在交變電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為動(dòng)態(tài)介電常數(shù)，動(dòng)態(tài)介電常數(shù)與測(cè)量頻率有關(guān)。數(shù)，動(dòng)態(tài)介電常數(shù)與測(cè)量頻率有關(guān)。因?yàn)殡娊橘|(zhì)的極化強(qiáng)度是電子位移極化、離子因?yàn)殡娊橘|(zhì)

56、的極化強(qiáng)度是電子位移極化、離子位移極化和固有偶極矩取向極化三種極化機(jī)制位移極化和固有偶極矩取向極化三種極化機(jī)制的貢獻(xiàn)。當(dāng)電介質(zhì)開始受靜電場(chǎng)作用時(shí)，要經(jīng)的貢獻(xiàn)。當(dāng)電介質(zhì)開始受靜電場(chǎng)作用時(shí)，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，極化強(qiáng)度才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，過(guò)一段時(shí)間后，極化強(qiáng)度才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，這個(gè)現(xiàn)象稱為這個(gè)現(xiàn)象稱為極化弛豫（松弛極化）極化弛豫（松弛極化），所經(jīng)過(guò)，所經(jīng)過(guò)的這段時(shí)間稱為的這段時(shí)間稱為弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時(shí)間很短電子位移極化和離子位移極化的弛豫時(shí)間很短（電子位移極化的弛豫時(shí)間比離子位移極化的（電子位移極化的弛豫時(shí)間比離子位移極化的還要短），取向極化的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，所以還

57、要短），取向極化的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，所以極極化弛豫主要是取向極化造成的化弛豫主要是取向極化造成的。當(dāng)電介質(zhì)受到交變電場(chǎng)的作用時(shí)，由于電場(chǎng)不當(dāng)電介質(zhì)受到交變電場(chǎng)的作用時(shí)，由于電場(chǎng)不斷在變化，所以電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度也要跟著斷在變化，所以電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度也要跟著不斷變化，即不斷變化，即極化強(qiáng)度和電位移均將隨時(shí)間作極化強(qiáng)度和電位移均將隨時(shí)間作周期性的變化周期性的變化。如果交變電場(chǎng)的頻率足夠低，取向極化能跟得如果交變電場(chǎng)的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場(chǎng)的變化，這時(shí)電介質(zhì)的極化過(guò)程與上外加電場(chǎng)的變化，這時(shí)電介質(zhì)的極化過(guò)程與靜電場(chǎng)作用下的極化過(guò)程沒有多大的區(qū)別。靜電場(chǎng)作用下的極化過(guò)程沒有多大的區(qū)別。如果

58、交變電場(chǎng)的頻率足夠高，電介質(zhì)中的極化如果交變電場(chǎng)的頻率足夠高，電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度就會(huì)跟不上外電場(chǎng)的變化而出現(xiàn)滯后，從強(qiáng)度就會(huì)跟不上外電場(chǎng)的變化而出現(xiàn)滯后，從而引起而引起介電損耗介電損耗。所謂。所謂介電損耗介電損耗，由于導(dǎo)電或，由于導(dǎo)電或交變場(chǎng)中極化弛豫過(guò)程在電介質(zhì)中引起的能量交變場(chǎng)中極化弛豫過(guò)程在電介質(zhì)中引起的能量損耗，由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽鐭崮堋p耗，由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽鐭崮堋⒐饽艿龋y(tǒng)稱為光能等，統(tǒng)稱為介電損耗介電損耗。它是導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)。它是導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生熱擊穿的根源。生熱擊穿的根源。交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)電介質(zhì)反復(fù)建立極化再去極化，電電介質(zhì)反復(fù)建立極化再去極化，電流和電壓不再同相

59、位，而相位差與極化機(jī)制（極流和電壓不再同相位，而相位差與極化機(jī)制（極化建立的快慢）和電場(chǎng)交變頻率有關(guān)。化建立的快慢）和電場(chǎng)交變頻率有關(guān)。在理想平板真空電容器上加上角頻率在理想平板真空電容器上加上角頻率 =2 f的的交流電壓交流電壓U=U0ei t則在電極上出現(xiàn)電荷則在電極上出現(xiàn)電荷 Q=C0U= C0U0ei t ，1 1 復(fù)介電常數(shù)和介電損耗復(fù)介電常數(shù)和介電損耗介電損耗的表示方法介電損耗的表示方法其回路電流其回路電流UCiUCitQIti000Cedd理想真空電容器的電容電流理想真空電容器的電容電流IC比電壓比電壓U超前超前90相位相位C= rC0IC = r IC仍比電壓仍比電壓U超前超前

60、90相位。相位。實(shí)際介電材料實(shí)際介電材料與理想介電材料不同，其電導(dǎo)與理想介電材料不同，其電導(dǎo)率不為零，介質(zhì)中的電流一般包括三部分：率不為零，介質(zhì)中的電流一般包括三部分：1、由幾何電容的充電和位移極化引起的瞬時(shí)電、由幾何電容的充電和位移極化引起的瞬時(shí)電流流Ic，其相位比電壓，其相位比電壓U超前超前90 ，是容性電流；，是容性電流；2和和3、由松弛極化引起的吸收電流、由松弛極化引起的吸收電流Iac和由電導(dǎo)和由電導(dǎo)（漏電）引起的剩余電流（漏電電流）（漏電）引起的剩余電流（漏電電流）Idc，其，其位相與電壓位相與電壓U相同，是電流中的電導(dǎo)分量。相同，是電流中的電導(dǎo)分量。其中其中II=Iac+Idc是電