实验一 材料导电性能的测量

天津大学材料学院

材料电阻的测量方法

测量材料电阻的方法，根据材料的电阻大小不同，采用的测量方法各异。

主要的测量方法： 惠斯顿单电桥法 双电桥测量法 电位差计测量 直流四探针法

1 、惠斯顿（ Huiston ）单电桥法

惠斯顿单电桥测量原理图

图中 CD 之间串联一检流计 G ，R p 为调节桥路电流的滑线电阻器，当 C 、 D 两点同电位时，通过检流计 G 的电流为零 .

RN 、 R1 、 R2 的电阻均已知，被测电阻 Rx 的计算：

测量电阻范围通常在在 10106 。

Nx RR

RR

2

1

惠斯顿单电桥测量原理图

测量中 Rx 实际并非真正的被测电阻，测出的电阻包括A 、 B 两点的导线电阻和接触电阻。当测量低电阻时，由于结构和接触电阻无法消除，灵敏度不高、测量数值偏差较大，只有当被测电阻相对于导线电阻和接触电阻相当大时， Rx 才接近于 。因此惠斯顿单电桥的测量很少用于测量金属电阻，其测量电阻范围通常在在 10106 。

2 . 双电桥法 双电桥法是目前测量金属室温电阻应用最广的方法，用于测

量低电阻（ 10210-6 ）。双电桥法测量时，待测电阻Rx 和标准电阻 RN 相互串连后，串入一有恒电流的回路中。将可调电阻 R1R2R3R4 组成电桥四臂，并与 Rx 、 RN 并连；在其间 B 、 D 点连接检流计 G ，那么测量电阻 Rx 归结

为调节 R1R2R3R4 电阻使电桥达到平衡，则检流计为零 G=0

VD=V

B )(4

3

2

1

43

4

2

1

R

R

R

R

rRR

rRR

R

RR Nx

为了使上式简化，在设计电桥时，使 R1 =R3 ， R2=R4 ，并将它们的阻值设计的比较大，而导线的电阻足够小（选用短粗的导线），这样使 趋向于零， 则附加项趋近于零，上式近似为：

=

当检流计为零时，从电桥上读出 R1 、 R2 而 RN 为已知的标准电阻，用上式可求出 Rx 值。

用双电桥测量电阻可测量 10010-6 的电阻，测量精度为0.2% 。

在测量中应注意：连接 Rx 、 RN 的铜导线尽量粗而短，测量尽可能快。

4

3

2

1

R

R

R

R

Nx RR

RR

2

1 NRR

R

4

3

3 ．电位差计法 电位差计法广泛应用于金属合金的电阻测量，可测量试样的

高温和低温电阻，还可以测试电位差、电流和电阻，它的精度比双电桥法精度高。可以测量 10-7 的微小电势。 当一恒定电流通过试样和标准电阻时，测定试样和标准电阻两端的电压降Vx和 VN， RN 已知，通过下式计算出 Rx

电位差计法优点：导线（引线）电阻不影响电位差计的电势Vx、 VN ，的测量，而双电桥法由于引线较长和接触电阻很难消除，所以在测金属电阻随温度变化，不够精确。

N

xNx V

VRR

4 ． 直流四探针法 直流四探针法主要用于半导体材料或超导体等的低电阻率的测量。常用于半导体单

晶硅掺杂的电阻率测量。四根金属探针彼此相距 1mm 排在一条直线上，要求四根探针与样品表面接触良好。由 1 、 4 探针通入小电流，当电流通过时，样品各点将有电位差，同时用高阻静电计、电子毫伏计测出 2 、 3 探针间的电位差 V23 ，四探针法的测量线路原理图计算出样品的电阻率 C 是与被测样品的几何尺寸及探针间距有关的测量的系数，称为探针系数。单位：（ cm ）； I 是探针通

入的电流。

I

VC 23

一、目的要求

1 、掌握材料导电性能（电阻率、电导率）的 测量方法；

2 、了解电阻率和电导率的相互关系；3 、了解高分子、陶瓷材料的体电阻、表面电

阻；

4 、理解成分对金属材料导电性能影响。

二、基本原理 欧姆定律 电阻率与材料本质有关 电阻率的单位： m ， cm ， cm ， 工程技术上常用 mm2/m 。它们之间的换算关系为 1 cm = 10-8 m = 10-6 cm = 10-2 mm2/m 电阻率与电导率关系

的单位为西门子每米（ S/m ）。 工程中也常用相对电导率（ IACS% ），它表示导体材料的导电性

能。国际上把标准软铜在室温 20 。 C 下的电阻率 = 0.01724 mm2/m 的电阻率作为 100% ，其他材料的电导率与之相比的百分数为该材料的相对电导率。

S

LR

1

片状样品

管（环）状样品

圆片状样品

三、电阻率的测量1 、高电阻率测量 测定陶瓷材料和高分子材料的体积电阻、表面电阻 实验仪器 ZC36型高阻计是一种直流式的超高电阻计和微电流两

用仪器。仪器的最高量限电阻值 1017Ω ，微电流 10-14A 微电流。

• 适用对绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝缘电阻测量和高阻兆欧电阻的测量，也可用于微电流测量。

测试电路原理

被测试样与高阻抗直流放大器的输入电阻串联并跨接于直流高压测试电源上；高阻抗直流放大器将其输入电阻上的分压讯号经放大输出至指示仪表，由指示仪表直接读出被测绝缘电阻值。

1 ）测量体积电阻值 Rv

（ 1 ）将 Rv 、 Rs转换开关旋至 Rv处。

(2) 将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将“倍率选择”旋钮选 至所需的位置。

(3) 将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查电压应选择的位置，打开输入短路开关 (即按钮抬起来 ) ，读取加上测试电压 1 分钟，指示电表显示的电阻值。读数完毕，将“倍率”打回“ 10-1”档。

2 ）测量表面电阻值 Rs (1) 将 Rv 、 Rs转换开关旋至 Rs处。 (2) 将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将“倍

率选择”旋至所 需要的位置。 ( 在不了解测试值的数量级时，倍率应从低次方开始选择。 )

(3) 将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查应选择的位置，打开输

入短路开关 (即按钮抬起来 ) ，读取加上测试电压 1 分钟时，指示电表显示的电阻值。读数完毕，将“倍率”打回“ 10-

1”档。 (4) 接入短路开关，将“放电、测试”开关打回到“放电”

位置。更换试样，重复以上操作，待全部试样测量完毕后，切除电源，除去各种连接线，按要求整理、放置好仪器。

计算公式：

(1)式中： π—3.1416 ； r 一测量电极的半径 (cm) ； h 一陶瓷试样的厚度 (cm) 。

(2)

式中 π—3.1416 ； D2 一保护电极的内径 (cm) ； D1 一测量电极的直径

(cm) ； 1n 一自然对数。

hr

VV R2

21

2DD

s s lnR

数据及处理

(1) 用所得的测试数据分别计算各试样的体积电阻率 ρV ，

及表面电阻率 ρS ，将计算结果填入下表的相应格内．

(2) 根据所做实验试分析产生误差的原因，及采取哪些缩小误差的措施。

(3) 对实验中出现的一些问题进行讨论。

材料的电阻率

试样号 陶瓷 聚丙烯 体积电阻值 Rv

表面电阻值 Rs

试样厚度 h （ cm ） 0.14 0.11

测量电极直径 D1 （ cm ） 2.2 5.0

保护电极内径 D2 （ cm ） 5.4

体积电阻率 ρV

表面电阻率 ρS

金属材料电阻率的测量 涡流电导仪简介

金属材料的电导率的测量采用涡流电导仪进行测量。

涡流电导仪有两种，主要用于测量金属材料的电导率。

7501适用于金、银、铜、铝、镁、锌等的金属及其合金；

7502适用于青铜、钛、不锈钢等。

测试电导率电路结构图

测试装置电路原理图

使用方法仪器校正• 校正工作目的是使电导率分度盘读数和标准试块的电导

率对准。两个标准试块的电导率己打印在试块背面，一个试块电导率值较高，另一个电导率值较低，分别校准电导率分度盘上对应的红线标记，为此

• （ 1 ）把探头放在高值电导率试块上的中心位置，转动电导率分度盘旋钮，对准高值端红线，用电表右下方“高值校正”旋钮调节电表指针到零位。

• （ 2 ）把探头放在低值电导率试块上的中心位置，转动电导率分度盘旋钮；对准低值端红线，用电表右下方“低值校正”旋钮调节电表指针到零位。

• 反复上述步骤躁作 2—3次，仪器即校正好了，就可用于电导率试块的测量。

数据及处理

样品 电导率测量值m/ mm2

电阻率 mm2/ m

相对电导率 %IACS

1# 紫铜 Cu

2# 磷铜 Cu-P

3# 铅黄铜 Cu-Zn-P)

4# H62 铜 Cu-Zn

5#铬锆铜 CuCrZr

6# 铝 Al

7# 银合金 AgSnO2

数据及处理及结果分析

(1) 将测得的纯金属、合金和复合材料的电导率数据填入相应格中；

(2) 分别计算各种材料的电阻率和相对电导率；

(3) 根据实验结果分析铜和铜合金导电性和成分的关系；

(4) 对实验中出现的一些问题进行讨论。