電工材料物理基礎(chǔ)課件

電工材料物理基礎(chǔ)

1第一節(jié)概述材料所表現(xiàn)的性能是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的，即材料的性能與原子結(jié)構(gòu)（電子的排列情況，特別是外層電子的排列情況）有很大關(guān)系。組成物質(zhì)的原子是怎樣結(jié)合的？為什么有的物質(zhì)容易通過電流？為什么炭元素既能形成絕緣體又能形成導(dǎo)體？金屬導(dǎo)電形成電流的是電子，這些電子又是從哪里來的？影響電流大小的因素又有哪些？只有了解了物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，才能夠從根本上回答上述疑問，物質(zhì)內(nèi)部可能的微觀結(jié)構(gòu)就是電工材料學(xué)科的基礎(chǔ)。2第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)原子核原子是由位于原子中心帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子所組成。原子簽核則由質(zhì)子和中子組成，中子不帶電，每個質(zhì)子帶一個單位正電荷。原子核所帶正電荷和核外所有電子所帶的負(fù)電荷之和相等，所以整個原于呈電中性。電子質(zhì)量很輕僅為9.1096

10-81kg，質(zhì)子的質(zhì)量為1．6726

10-27kg，約為電子質(zhì)量的1836倍，中子的質(zhì)量與質(zhì)子相同。3第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)有的原子的質(zhì)子相同而它們的中子數(shù)不同。例如，氫元素的原子都含一個質(zhì)子，但有的原子中不含中子，這種氫原于就是普通的氫；含一個中子的氫原子叫氘，即重氫，如含兩個中子的氫原子就叫氚，即超重氫。在金屬學(xué)上，凡是原子內(nèi)含相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的同—元素稱為同位素。4第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)核外電子的運(yùn)動狀態(tài)

1.電子云按經(jīng)典理論，電子在核外繞原子核做高速運(yùn)動，這種狀態(tài)只能用量子力學(xué)，用統(tǒng)計的觀點(diǎn)去描述電子在核外空間某個區(qū)域出現(xiàn)的概率。以氫原子為例，它的核外只有一個電子，這個電子在核外空間各處都有出現(xiàn)的可能，但在各處出現(xiàn)的概率不同，電子在核外空間出現(xiàn)的概率分布稱為電子云。電子出現(xiàn)概率最大的地方是在離核0.53

10-10米的球面上，該距離用α0表示，這就是氫原子的波爾半徑。5第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

2.四個量子數(shù)量子力學(xué)用四個量子數(shù)描述核外電子的狀態(tài)1）主量子數(shù)電子在核外有規(guī)則地按離核的遠(yuǎn)近分層分布，即電子殼層，這是決定電子的能量的主要因素，用主量子數(shù)n表示。n越小，表示電子離核越近，電子能量也越小。通常也用K、L、M、N……表示，分別稱為K、L、M、N……層。6第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

2）角量子數(shù)同一殼層的電子，其能量并不完全相同，角量子數(shù)就表示這種差異，角量子數(shù)用l表示。主量子數(shù)和角量子數(shù)相同的電子，其能量相同，這樣的電子稱為處于同一亞層中的電子。圖1－3角量子數(shù)p電子云角量子數(shù)l表征著電子云的形狀。l

不同，電子云的形狀不同，一般用s、p、d、f……表示。角量子數(shù)為s的電子云是以原子核為球心的球形，角量子數(shù)為p的電子云形狀是啞鈴形，有三個伸展方向，角量子數(shù)為d的電子云形狀是花瓣形，7第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)8第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

3）磁量子數(shù)同一亞層的電子，具有相同的能量，其不同之處是電子云的伸展方向不同。量子力學(xué)用磁量子數(shù)mt來表征這種不同。電子云的一個伸展方向代表同一殼層的一個運(yùn)動軌道，所以磁量子數(shù)也表征著亞層電子的運(yùn)動軌道數(shù)目，其可能取值是所有整數(shù)，包括零。同一殼層的電子可能具有的最多軌道數(shù)為n2。9第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

4）自旋量子數(shù)核外電子在繞原子核高速運(yùn)動的同時，也做自選運(yùn)動。自選量子數(shù)表征的就是電子的自選運(yùn)動形式，用ms表示。

3.多電子原子中的電子分布

1）泡利不相容原理：同一原子中不可能有運(yùn)動狀態(tài)完全相同的兩個電子，即不會有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子存在。這就叫不相容原理。同一軌道上只能有兩個自選方向相反的電子存在。10第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

2）能量最低原理：能量越低，電子越穩(wěn)定。所以，一般情況下，核外電子總是首先占有能量最低的軌道，低能量軌道占滿后，電子才依次分布到能量逐個升高的軌道。這就是能量最低原理。

3）最多軌道規(guī)則在相同能量的軌道上，電子分布盡可能占據(jù)不同的軌道，即電子云盡可能有不同的伸展方向（磁量子數(shù)），并且自選方向相同，這個規(guī)則稱為最多軌道準(zhǔn)則，又稱洪特規(guī)則。洪特規(guī)則的一個特例是：同一亞層上電子分布為全充滿、半充滿或全空時，原子是比較穩(wěn)定的。11第三節(jié)化學(xué)鍵與分子一、分子的形成原子（離子）都是由帶正電的原子核和繞核運(yùn)動的電子組成。原子相距較遠(yuǎn)時相互之間呈現(xiàn)吸引力，相距較近時呈現(xiàn)排斥力。在某一適當(dāng)?shù)木嚯x下，吸引力和排斥力平衡，便形成了穩(wěn)定的分子。圖1－5a是原子相互作用勢能與原子間距離的關(guān)系，圖b是原子間作用力F與原子間距離的關(guān)系。在距離a0處原子間作用力為零，這就是平衡時的原子間隙，此時固體具有最小的勢能－E0，即結(jié)合能，也就是把固體離解時所需要的最小能量。12第三節(jié)化學(xué)鍵與分子二、原子間的相互作用力和化學(xué)鍵

1.波恩斥力當(dāng)原子間距離小于a0時，兩個原子的內(nèi)層（滿電子殼層）電子會產(chǎn)生很強(qiáng)的斥力，原子間作用力勢能就會急劇上升。根據(jù)泡利不相容原理，對滿殼層電子重合時，多余的電子就會被推到能量較高的狀態(tài)。原子間距離進(jìn)一步縮小時，原子核之間和電子之間的庫倫斥力也會迅速增大，這些力統(tǒng)稱為波恩斥力。13第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

2.化學(xué)鍵原子互相結(jié)合成穩(wěn)定的分子后，原子間有強(qiáng)烈的相互作用力，即波恩斥力和吸引力。在化學(xué)上，分子中相鄰的兩個或多個原子間之間的這種強(qiáng)烈相互作用稱為化學(xué)鍵.化學(xué)鍵的強(qiáng)度用鍵能表示，鍵能是表示將1mol物質(zhì)的化學(xué)鍵全部析離而分解成中性氣態(tài)原子所需要的能量。鍵能越大，分子越穩(wěn)定。不同原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，在組成分子時原子間的相互作用情況也不相同，形成了不同類型的化學(xué)鍵。14第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

1)離子鍵原子間相互作用，產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移而形成正負(fù)離子，依靠正負(fù)離子的靜電作用使離子間吸力和斥力達(dá)到平衡所形成的化學(xué)鍵，稱為離子鍵，形成的化合物稱為離子化合物。例如NaCl。離子型化合物的離子鍵鍵能較大，一般密度高，硬度高，難于壓縮，不易揮發(fā)，并有較高的熔點(diǎn)。15第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

2)共價鍵相同或不同元素的原子，由于電子云的重疊而形成的化學(xué)鍵稱為共價鍵，所形成的化合物稱為共價化合物。由于非s電子云有取向，所以共價鍵有方向性，而且不同元素的原子形成共價鍵時電荷不對稱，形成極性分子16第三節(jié)化學(xué)鍵與分子3）金屬鍵在金屬中，自由電子在金屬陽離子之間不停地運(yùn)動，自由電子與金屬陽離子之間形成的相互作用形成的化學(xué)鍵稱為金屬鍵。金屬原子的外層電子與核間的相互作用較小，容易丟失電子而形成陽離子，這些電子在金屬晶體中自由運(yùn)動，故稱為自由電子。在外電場作用下，自由電子做定向運(yùn)動形成電流，這就是金屬能夠?qū)щ姷脑颉?7第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

4）當(dāng)氫原子和非金屬性強(qiáng)的原子如氟以共價鍵形式結(jié)合形成HF時，由于氟原子的負(fù)電荷密度比氫大很多，所以它們的共用電子對就強(qiáng)烈地偏向氟原子，使得氫原子成了幾乎裸露的質(zhì)子，它對臨近的電子有很強(qiáng)的吸引作用。當(dāng)兩個HF分子互相接近到一定距離時，幾乎裸露的質(zhì)子和另一個分子中負(fù)電荷密度很大的氟原子產(chǎn)生明顯的吸引力，使得幾乎裸露的質(zhì)子滲入到氟原子價電子云中去，這樣形成的吸引力稱為氫鍵。分子間氫鍵形成是物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)提高，因?yàn)橐蛊淙刍驓饣?，不僅要克服分子間作用力，還要額外消耗能量克服分子間的氫鍵。因此這類氫化物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高。18第三節(jié)化學(xué)鍵與分子三、分之間的作用力分子型物質(zhì)無論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)，都是由許多分子組成的，即總是以分子的形式組成物質(zhì)。分子之間也有作用力，比化學(xué)鍵作用力小1～2個數(shù)量級，稱為范德華力。分子間的作用力有以下三種：

1.取向力極性分子靠近時，由于同極相斥異極相吸，分子必然會有一個取向，使得異極相對，同極盡量遠(yuǎn)離。取向力與分子極性的強(qiáng)弱有關(guān)，極性強(qiáng)，取向力就大。同時，溫度越高，熱運(yùn)動加劇，不利于分子的取向。19第三節(jié)化學(xué)鍵與分子2.誘導(dǎo)力極性分子和非極性分子靠近時，極性分子的偶極子電場使非極性分子極化，非極性分子出現(xiàn)正負(fù)電荷中心不重合，非極性分子靠暫時的極性和極性分子之間形成誘導(dǎo)力。誘導(dǎo)力一般較小。3.色散力非極性分子靠近時存在的一種作用力。非極性分子內(nèi)部的原子核和電子都在不停地運(yùn)動，某一瞬間，分子的正負(fù)電荷中心可能會不重合，如果相鄰分子在同一時刻也出現(xiàn)正負(fù)電荷中心不重合，它們之間就會因取向而產(chǎn)生作用力。因?yàn)樗哪芰抗胶凸獾纳⒐较嗨?，故稱之為色散力。20第四節(jié)晶體一、固體結(jié)構(gòu)分類固態(tài)物體按其微觀結(jié)構(gòu)排列的有序性可以分為晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體。如果構(gòu)成固體的原子、分子在微米數(shù)量級上排列是有序的，則稱為晶體，否則稱為非晶體。準(zhǔn)晶體既不同于晶體也不同于準(zhǔn)晶體，它是固體物理結(jié)構(gòu)研究的一個新領(lǐng)域。晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以看成是由相同結(jié)構(gòu)單元在空間做周期性排列形成的，這種相同結(jié)構(gòu)的單元，稱之為基元?？梢园岩粋€理想的晶體內(nèi)部看作一系列周期重復(fù)的點(diǎn)的無限分布，即晶體點(diǎn)陣（晶格），點(diǎn)陣中的每個點(diǎn)都放上相同的基元，就構(gòu)成了晶體。21第四節(jié)晶體二、晶體點(diǎn)陣的類型22第四節(jié)晶體三、晶體中粒子的結(jié)合類型組成品體的粒子(原子、分子、離子)在空間作有規(guī)則的周期性排列，形成晶體，這些粒子之間同樣存在相互作用，即吸引和排斥作用。離子鍵結(jié)合共價鍵結(jié)合金屬鍵結(jié)合范德瓦斯結(jié)合23第四節(jié)晶體四、晶體的結(jié)合能把原于(離子或分子)結(jié)合起來形成晶體體，晶體要比分散的原子(離子或分子)有更低的能量，這部分能量在結(jié)合成晶體的過程中被釋放出來，我們稱之為結(jié)合能。24第五節(jié)固體能帶理論固體（晶體）是由數(shù)目巨大的原子（或分子）組成的，而每個原子又包含原子核及其核外電子，這些原子（或分子）做有規(guī)則的周期性排列，形成空間點(diǎn)陣。原子的核外電子多數(shù)仍和孤立原子那樣局域在原子核的周圍，而有的電子則是非局域性的（即價電子），能在整個晶格中巡行。這些非局域性的電子的狀態(tài)決定了整個晶體的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)。晶格中的巡行電子一方面受到晶格的作用，另一方面受到其它電子的作用，同時，晶格點(diǎn)上的原子自身也在運(yùn)動。研究巡行電子的狀態(tài)是一個典型的多體問題，整個系統(tǒng)有1023數(shù)量級的關(guān)聯(lián)變量，直接求解巡行電子的狀態(tài)幾乎是不可能的。為此，慣用的辦法是合理的做出近似（假設(shè)）。25第五節(jié)固體能帶理論玻恩－奧本海近似玻恩－奧本海近似也稱絕熱近似。這個假設(shè)的出發(fā)點(diǎn)是，考慮到電子和原子核的質(zhì)量相差很大，求解巡行電子的狀態(tài)時，近似認(rèn)為原子核是靜止不動的，這樣的話，多體問題就變成了一個多電子體系的求解。26第五節(jié)固體能帶理論平均場近似多電子體系問題的數(shù)學(xué)描述是薛定諤方程，但仍無法直接求解，因?yàn)槊總€電子的運(yùn)動不僅與自己的位置有關(guān)，還與其它電子的位子有關(guān)。為此，用一種平均場（自恰場）來代替價電子間的相互作用，即認(rèn)為每個電子所處的勢場都相同，電子間的相互作用勢能僅與自己的位置有關(guān)。27第五節(jié)固體能帶理論周期性勢場認(rèn)為核和電子的平均場是周期性勢場。在上述條件下，把復(fù)雜的多體問題簡化為單電子在周期