《金屬材料電學(xué)》課件

金屬材料電學(xué)本課程將深入探討金屬材料的電學(xué)特性，涵蓋導(dǎo)電機(jī)理、電阻率、超導(dǎo)現(xiàn)象、磁性材料等重要內(nèi)容，旨在幫助您理解金屬材料在電子器件中的應(yīng)用原理。課程概述課程目標(biāo)了解金屬材料的導(dǎo)電機(jī)制、電阻率和超導(dǎo)現(xiàn)象等基本概念。主要內(nèi)容導(dǎo)電機(jī)理、電阻率、超導(dǎo)現(xiàn)象、磁性材料等。導(dǎo)電機(jī)理1自由電子模型金屬中的自由電子在電場作用下定向移動形成電流。2能帶理論金屬中的電子占據(jù)能帶，導(dǎo)帶中的自由電子可以移動形成電流。自由電子理論1金屬鍵金屬原子失去電子形成金屬陽離子，電子在金屬晶格中自由移動。2電子云金屬中的自由電子形成電子云，使金屬具有良好的導(dǎo)電性和延展性。3自由電子金屬中自由移動的電子，在外電場作用下定向移動形成電流。電子狀態(tài)密度1能帶結(jié)構(gòu)金屬中電子的能級分布形成能帶，導(dǎo)帶中的電子密度決定了材料的導(dǎo)電性。2狀態(tài)密度在特定能量范圍內(nèi)，電子可能占據(jù)的能級數(shù)量，反映了電子運(yùn)動的可能性。3導(dǎo)電性導(dǎo)帶中的電子狀態(tài)密度越高，金屬的導(dǎo)電性越好。法拉第定律1電解電流通過電解質(zhì)溶液時，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。2電解重量電解過程中析出的物質(zhì)質(zhì)量與通過的電量成正比。費(fèi)米能級能量金屬中電子占據(jù)的最高能量級，反映了金屬中的電子狀態(tài)。溫度溫度升高，費(fèi)米能級升高，導(dǎo)電性增強(qiáng)。電阻率定義材料抵抗電流流動的能力，單位為歐姆米。影響因素溫度、雜質(zhì)、晶格缺陷等。電阻溫度系數(shù)定義溫度變化1攝氏度，電阻變化的百分比。正溫度系數(shù)溫度升高，電阻增大。負(fù)溫度系數(shù)溫度升高，電阻減小。超導(dǎo)現(xiàn)象1發(fā)現(xiàn)1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞在4.2K以下電阻為零。2特性零電阻、完全抗磁性、邁斯納效應(yīng)等。3應(yīng)用超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)傳輸線、超導(dǎo)量子干涉儀等。超導(dǎo)材料的分類低溫超導(dǎo)體臨界溫度低于30K，如鈮、鉛、汞等。高溫超導(dǎo)體臨界溫度高于30K，如氧化銅超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體等。超導(dǎo)原理電子配對超導(dǎo)狀態(tài)下，電子與晶格相互作用形成庫珀對。能隙庫珀對形成能隙，阻止電子散射，導(dǎo)致零電阻。BCS理論理論框架解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)制，基于電子配對和能隙的概念。重要意義奠定了超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)，推動了超導(dǎo)材料和應(yīng)用的發(fā)展。倫敦方程第一倫敦方程描述超導(dǎo)體中電流與磁場的聯(lián)系，解釋邁斯納效應(yīng)。第二倫敦方程描述超導(dǎo)體中磁通量的量子化現(xiàn)象。磁通量量子化現(xiàn)象超導(dǎo)體中磁通量只能取量子化的值，即磁通量量子。應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀、超導(dǎo)磁體等。約瑟芬效應(yīng)1直流約瑟芬效應(yīng)超導(dǎo)隧道結(jié)中，當(dāng)電流小于臨界電流時，會產(chǎn)生直流電壓。2交流約瑟芬效應(yīng)超導(dǎo)隧道結(jié)中，當(dāng)電流大于臨界電流時，會產(chǎn)生交流電壓。長約瑟芬效應(yīng)原理基于超導(dǎo)隧道結(jié)和長約瑟芬結(jié)的組合，可以實(shí)現(xiàn)高精度測量。應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀、超導(dǎo)傳感器等。擁有能隙的金屬能隙金屬中電子能帶之間存在能隙，阻礙電子運(yùn)動，導(dǎo)致電阻。半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的能隙較小，溫度升高，電子可以越過能隙，導(dǎo)電性增強(qiáng)。磁性材料1鐵磁性材料中存在自發(fā)磁化，具有很強(qiáng)的磁性。2反鐵磁性材料中磁矩反向排列，磁性較弱。3順磁性材料中磁矩隨機(jī)排列，在外磁場作用下被磁化。4抗磁性材料中磁矩在外磁場作用下反向排列，表現(xiàn)出弱磁性。磁化強(qiáng)度1定義材料被磁化后，單位體積磁矩的矢量和。2測量方法利用磁強(qiáng)計(jì)測量磁化強(qiáng)度，反映材料的磁性強(qiáng)弱。3應(yīng)用磁記錄、磁存儲、磁傳感器等。磁化曲線1磁滯現(xiàn)象磁化強(qiáng)度隨外磁場變化的曲線，表現(xiàn)出磁滯現(xiàn)象。2磁滯回線磁化曲線形成閉合的磁滯回線，反映材料的磁性性質(zhì)。磁導(dǎo)率磁場強(qiáng)度外磁場在材料中的強(qiáng)度，決定材料被磁化的程度。磁化強(qiáng)度材料被磁化后的磁矩強(qiáng)度，反映材料的磁性強(qiáng)弱。軟磁材料特性易磁化，磁滯回線窄，磁導(dǎo)率高，適合制作電磁鐵、磁芯等。應(yīng)用變壓器、電機(jī)、磁頭、磁記錄等。硬磁材料特性不易磁化，磁滯回線寬，磁導(dǎo)率低，適合制作永久磁鐵。應(yīng)用電機(jī)、磁性元件、磁懸浮等。磁性應(yīng)用1磁記錄利用磁性材料記錄信息，如硬盤、磁帶等。2磁傳感器利用磁性材料感知磁場變化，如磁羅盤、磁力計(jì)等。3磁懸浮利用磁性材料實(shí)現(xiàn)物體懸浮，如磁懸浮列車。磁記錄原理利用磁性材料的磁化狀態(tài)記錄信息，通過讀寫磁頭進(jìn)行讀寫操作。應(yīng)用硬盤、磁帶、磁卡、磁條等。磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)磁場作用下，光波偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)?？藸栃?yīng)磁場作用下，反射光發(fā)生偏振變化。磁光記錄原理利用磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信息的記錄和讀取，光束照射磁性材料，改變其磁化狀態(tài)。應(yīng)用光盤、