【正文】 例如，水和氯化氫都具有固有電矩，前者是由于 H2O分子的兩個 OH鍵間的夾角約為105176。 ，并非直線結(jié)構(gòu)，后者則由于電荷在原子周圍分布不均衡：在氫的一端正電荷較多，在氯的一端負電荷較多。 ? 研究在交變電場下固有電矩轉(zhuǎn)向極化對介電性能的影響，可以進一步提供介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的信息。 空間電荷極化 ? 在實際應(yīng)用的電介質(zhì)材料中，由于材料純度和制造工藝的影響，不可避免地存在晶體缺陷、微區(qū)夾層等不均質(zhì)結(jié)構(gòu)。 ? 在外場作用下介質(zhì)中的少量載流子會發(fā)生漂移并為勢阱捕獲，也可能在不均勻的夾層界面上堆積起來而形成空間電荷的積累。由這種介質(zhì)中空間電荷的移動形成的極化稱為空間電荷極化。 電極化機制 ? 以上四種極化機制都是電介質(zhì)中微觀的物質(zhì)運動過程，需要一定時間才能完成，而不同機制的弛豫時間卻各不相同，對頻率不同的交變電場響應(yīng)也不一樣。 ? 例如，電子位移極化的頻率響應(yīng)極快，弛豫時間大約在 1014~1016s。離子位移極化響應(yīng)的速度要稍慢些，其弛豫時間在 1012~1013s。與它們相比，固定電矩的轉(zhuǎn)向極化響應(yīng)速度要慢得多，弛豫時間一般在 108s左右?？臻g電荷極化過程所需的時間最長，其弛豫時間約為102s。 交變電場中的介電損耗 ? 在交變電場作用下，電介質(zhì)的極化強度也隨之改變。由于頻率和內(nèi)部響應(yīng)速度的差異，極化過程可能滯后。 ? 實際電介質(zhì)內(nèi)部這種弛豫過程將引起能量損耗，而且動態(tài)的介電系數(shù)成為外電場交變頻率的系數(shù)。 交變電場中的介電損耗 ? 應(yīng)當(dāng)看到，在實際介電材料中弛豫時間并非單一，而往往有好多個，并且分布在不同數(shù)量級范圍。它們的介電系數(shù)對頻率的響應(yīng)也將分布在不同頻段。顯然可以通過實驗來探測電介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)信息。 鐵電性 ? 在電介質(zhì)材料中有一個很重要的分支，稱為鐵電體，它是一種特殊相變的產(chǎn)物。在這種從高對稱性轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯ΨQ性的過程中，伴隨著發(fā)生自發(fā)極化或亞點陣極化。 ? 因此，鐵電體的特征是在坐標(biāo)空間呈現(xiàn)電極性長程有序，形成“電疇”結(jié)構(gòu)晶體，這些電疇的界面稱為“疇壁”，它將隨外加電場的變化而移動，顯示宏觀的極化，直至形成電疇。 鐵電性 ? 換言之，鐵電體的自發(fā)極化強度可以因外電場反向而反向，其極化強度 P和外電場 E之間的關(guān)系構(gòu)成電滯回線，如右圖所示。 ? 由于鐵電性與鐵磁性之間存在許多相對應(yīng)的特征，這一類具有電疇結(jié)構(gòu)和電滯回線的晶體被稱為鐵電體，盡管它們當(dāng)中并不含元素鐵。 超導(dǎo)電性 ? 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 溫度、壓力和磁場的影響 ? 兩類超導(dǎo)體 ? 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì) 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 1911年翁納斯(Onnes)從實驗中發(fā)現(xiàn)水銀的電阻在他無法測量的程度，如右圖所示。這是他首先液化了氦氣，在達到 三年后觀察到的一個重要現(xiàn)象。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 在這之后人們又發(fā)現(xiàn)了許多金屬和合金，當(dāng)試樣冷卻到足夠低的溫度（往往在液氦溫區(qū)）時電阻率突然降到零。這種在一定低溫條件下金屬失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。發(fā)生這一現(xiàn)象的溫度稱為臨界溫度，以Tc表示。 ? 金屬失去電阻的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)或常導(dǎo)態(tài)。由于超導(dǎo)態(tài)的電阻小于目前所能測量的最小值 (1025??cm), 因此認為超導(dǎo)態(tài)沒有電阻。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 既然在超導(dǎo)態(tài)下直流電阻率是零或接近于零。以致觀察到持續(xù)電流無衰減地在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)流動達一年以上，直至最后實驗者感到厭煩。 ? 法勒 (File)和邁爾斯 (Mills)利用精確核磁共振方法，測量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，他們得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變的時間不短于十萬年。 ? 超導(dǎo)體內(nèi)沒有電阻說明超導(dǎo)體是等電位的，即超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 超導(dǎo)電性出現(xiàn)在周期表內(nèi)許多元素中，也出現(xiàn)在合金、金屬間化合物、半導(dǎo)體以及氧化物陶瓷中，不久以前，人們得到轉(zhuǎn)變溫度最高的材料是 Nb3Ge，其 Tc也只有。 ? 但是， 1986年貝諾茲 (Bednorz)和穆勒 (Miller)在鑭鋇銅氧化物 (LaBaCuO系 )中發(fā)現(xiàn) Tc高達 35K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，打破了超導(dǎo)研究領(lǐng)域幾十年來沉悶的局面，在全世界刮起了一股突破超導(dǎo)材料技術(shù)的旋風(fēng)。他們也因此獲得了 1988年度諾貝爾物理獎。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 1987年日、美等國和我國學(xué)者接連報道獲得臨界溫度更高的超導(dǎo)材料： YBaCuO系 (~90K), BaSrCaCuO系 (110K), TlBaCaCuO系 (120K),…, 使超導(dǎo)技術(shù)從液氦溫區(qū)步入液氮溫區(qū)以至接近常溫。 ? 這些研究成果使超導(dǎo)材料正在邁入實用化階段。如果在常溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，那么電力儲存裝置、無損耗直流送電、強大的電磁鐵、超導(dǎo)發(fā)電機等理想將成為現(xiàn)實，則將引起電子元件和能源領(lǐng)域的一場革命。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 科技的發(fā)展有時帶有某種戲劇性。最近發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料并不是傳統(tǒng)上被認為是導(dǎo)體的金屬合金中，而是在氧化物體系的陶瓷中。 ? 目前，人們對釔系氧化物的結(jié)構(gòu)、相變和電學(xué)性能與氧含量的關(guān)系已研究得比較深入。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? YBaCuO系乃鈣鈦礦型點陣結(jié)構(gòu)的三元系氧化物，其結(jié)構(gòu)、相變和超導(dǎo)電性均隨氧含量，特別是 CuO基面上的氧含量而變化，卡瓦 (Cava)等研究了超導(dǎo)零界轉(zhuǎn)變溫度 Tc和室溫電阻 ?與氧含量的關(guān)系如右圖所示。 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進展 ? 下圖為超導(dǎo)材料臨界溫度的發(fā)展 溫度、壓力和磁場的影響 ? 超導(dǎo)現(xiàn)象的存在雖然相當(dāng)普遍，但對許多金屬而言在所做過的溫度最低 (一般遠低于 1K)的測量中都未發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性。 ? 對于 Li、 Na和 K曾分別降溫至 、 究其超導(dǎo)電性，但這時它們?nèi)匀皇钦?dǎo)體。同樣地，對于 Cu、 Ag和 Au降溫至 、 ，它們也仍然是正常導(dǎo)體。 ? 曾有理論計算預(yù)示， Na和 K即使能成為超導(dǎo)體，它們的臨界溫度也將遠低于 105K。 溫度、壓力和磁場的影響 ? 壓力對超導(dǎo)電性的出現(xiàn)也有影響。 ? 如 Cs在 ?1010Pa壓力下經(jīng)過幾次相變之后成為超導(dǎo)體 (Tc=). 溫度、壓力和磁場的影響 ? 足夠強的磁場和電流密度都將會破壞超導(dǎo)電性。為破壞超導(dǎo)電性所需的磁場臨界值用 Hc表示，它是溫度的函數(shù)。在臨界溫度 Tc下的臨界磁場Hc=0。 ? 右圖表示了幾種超導(dǎo)元素的臨界磁場隨溫度的變化曲線。顯然，臨界值曲線把位于圖左下方的超導(dǎo)態(tài)和右上方的正常態(tài)隔開。 兩類超導(dǎo)體 ? 根據(jù)邁斯納效應(yīng)，一塊大超導(dǎo)體在外加的磁場H中其行為如同試樣內(nèi)部 B=0一樣。如果限于考慮細長的試樣，且其長軸平行于 H，則此時可以忽略退磁場對 B的影響，因而有 B=?0(H+M)=0 或 M=H 兩類超導(dǎo)體 ? 顯然，可以把超導(dǎo)體的磁化曲線表示成右圖形式。 ? 許多材料的純凈試樣顯示出超導(dǎo)行為，它們被稱為第 I類超導(dǎo)體。這一類超導(dǎo)體的 Hc值一般總是過低，作為超導(dǎo)體的線圈沒有什么應(yīng)用價值。 兩類超導(dǎo)體 ? 值得注意的是，其他一些材料表現(xiàn)出如下圖的磁化曲線，稱為第 II類超導(dǎo)體。 兩類超導(dǎo)體 ? 它們大都是合金，或者是在正常態(tài)具有高電阻率的過渡族金屬，即在正常態(tài)下平均自由程較短如下圖所示。 兩類超導(dǎo)體 ? 可以看出，第 II類超導(dǎo)體存在著兩個臨界磁場： Hc1為下臨界場和 Hc2為上臨界場。它們一直到場強為Hc2時都具有超導(dǎo)電性。 ? 在下臨界場 Hc1和上臨界場 Hc2之間，磁通密度 B?0。這時邁斯納效應(yīng)是不完全的。 兩類超導(dǎo)體 ? Hc2值可以是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變熱力學(xué)計算值 Hc的 100倍或更高。 ? 在 Hc1和 Hc2之間的場強區(qū)間內(nèi)物體的一部分區(qū)域為磁通所貫穿屬于正常區(qū)，它的周圍是超導(dǎo)區(qū)，但仍然保持零電阻特性，這時超導(dǎo)體稱為渦旋態(tài)或混合態(tài)。當(dāng)外場 H增大到 Hc2時，正常區(qū)數(shù)目增多到彼此相接，整個物體進入正常態(tài)。 兩類超導(dǎo)體 ? 幾種高場超導(dǎo)體的上臨界場 Hc2與溫度的關(guān)系如下圖所示。 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì) ? 自從超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來經(jīng)過 40多年的談速，到了 20世紀(jì) 50年代已建立起一套基本理論，其觀點如下： ? 從前面關(guān)于電子導(dǎo)電的討論中可以看出，電子在導(dǎo)體中的運動是混亂的，但就整體來說在各個方向上的運動則又是對稱分布的。就一維的情況 (例如很細的金屬絲 )而言，向左運動的電子數(shù)及動量的平均值和向右運動的電子數(shù)及動量的平均值相等，這種情況即所謂對稱分布。 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì) ? 當(dāng)電子運動作對稱分布時，金屬中不出現(xiàn)電流?，F(xiàn)在我們假定在金屬系中加一外場迫使電子向右側(cè)移動，這時，電子向右側(cè)移動的數(shù)目和平均動量，必然大于向左側(cè)移動的數(shù)目及平均動量，這種不對稱分布在金屬中出現(xiàn)電流。 ? 顯然，為了永遠保持金屬中的電流，必須使電子運動的不對稱分布能夠維持下去。 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì) ? 在通常情況下只有不中斷外電壓，在金屬中才能長久保持這種分布。如果用撤去磁場的方法使閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，那些以較高速度向一側(cè)運動的電子，由于容易受到點陣中物理缺陷、化學(xué)缺陷和熱缺陷的散射而損耗能量甚至改變方向，感應(yīng)電流就很快衰減到零。這樣的過程使電子逐步恢復(fù)到對稱分布，即感應(yīng)電流在正常態(tài)導(dǎo)體中不能持續(xù)下去。 ? 可見超導(dǎo)體的微觀理論歸結(jié)為尋求一種導(dǎo)電機制，它能說明長久保持導(dǎo)體中電子運動不對稱的分布狀態(tài)。 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì) ? 現(xiàn)有的超導(dǎo)理論認為，在很低溫度下，由于電子和聲子 (點陣振動 )的強相互作用，使得電子能夠成“對”地運動，在這些“電子對”之間存在著相互吸引的能量。 ? 這些成對的電子在材料中規(guī)則地運動時，如果碰到物理缺陷、化學(xué)缺陷和熱缺陷，而這種缺陷所給予電子的能量變化又不足以使“電子對”破壞，則此“電子對”將不損耗能量，即在缺陷處電子不發(fā)生散射而無阻礙地通過，這時電子運動的非對稱分布狀態(tài)將繼續(xù)下去。這一理論揭示了超導(dǎo)體中可以產(chǎn)生永久電流的原因。 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì) ? 應(yīng)當(dāng)指出，超導(dǎo)體中“電子對”的結(jié)合在空間上隔著相當(dāng)大的距離，這種結(jié)合只是在溫度相當(dāng)?shù)蜁r才發(fā)生。 ? 因為在較高溫度下由于熱驅(qū)動將使“電子對”破壞，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，這也就是超導(dǎo)體中存在臨界溫度 Tc的原因。 電阻分析 ? 電阻率和電導(dǎo)率是材料成分、組織和結(jié)構(gòu)極敏感的電參數(shù)，能靈敏地反映材料內(nèi)部的微弱變化。作為一種傳統(tǒng)的研究手段，電阻分析法在材料科學(xué)中取得了顯著的成效。更由于很容易對材料的許多物理過程進行電阻的跟蹤測量，這一方法的應(yīng)用更為廣泛。 ? 現(xiàn)僅舉幾個例子加以說明。 電阻分析 ? 固溶體有限溶解度的測定 ? 合金時效的研究 ? 回歸現(xiàn)象的研究 ? 材料疲勞過程的研究 ? 馬氏體相變的研究 固溶體有限溶解度的測定 ? 作為一個例子，可以討論一下如何利用電導(dǎo)率的測量來確定 CuMgSn系中Mg2Sn的有限溶解度曲線。從右圖可以看出，對于美國固定成分的合金淬火溫度越高，電導(dǎo)率卻越低，這是由于加熱時化合物相Mg2Sn在 Cu中溶解度增大的結(jié)果。 ? 顯然，不同濃度的合金從任一虛線所標(biāo)溫度淬火形成的固溶體，處于實線與該虛線交點的上部 (左面 )，而比實線坡度更緩的虛線對應(yīng)于 Cu基固溶體與 Mg2Sn的多相混合物。 ? 例如，在 400℃ 淬火的試樣中的溶解度為%Mg2Sn，在該濃度以前，形成單相固溶體，且電導(dǎo)率隨濃度增加沿施實線急劇減小，然后由電導(dǎo)率沿坡度更緩的坡度變化，這和含飽和固溶體 (溶解度為%Mg2Sn)的兩相合金中 Mg2Sn相數(shù)量的增加相對應(yīng)。 ? 在 470 ℃ 的溶解度相應(yīng)為 %、在 525 ℃ 的溶解度相應(yīng)為 %、在 600 ℃ 的溶解度相應(yīng)為 %。 ? 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在假二元系CuMg2Sn狀態(tài)圖中即可畫出有限固溶體的溶解度曲線，如右圖所示。 合金時效的研究 ? 電阻法可以用于研究合金的時效過程。下圖表示了 AlCu合金不同溫度時的時效電阻的變化趨勢?？梢钥闯觯?225 ℃ 高溫時效中引起的合金電阻降低，而在 20 ℃時效卻引起電阻升高。 合金時效的研究 ? 這種現(xiàn)象不同于固溶體分解所預(yù)料的那樣，而與在時效初期形成的極細小的彌散小區(qū)域 (稱為二度晶核或 GP區(qū) )有關(guān)。由于這些二度晶核的出現(xiàn)使得導(dǎo)電電子發(fā)生散