第二十七讲(自发极化与热释电效应)案例

第1篇一、实验目的1. 了解热释电现象的基本原理。

2. 掌握热释电材料的特性及其应用。

3. 通过实验验证热释电效应的存在，并探究影响热释电输出的因素。

二、实验原理热释电效应是指某些材料在温度变化时，会在其表面产生电荷的现象。

这种现象是由于材料内部的电偶极子随温度变化而重新排列，从而产生表面电荷。

当温度升高时，电偶极子剧烈摆动，平均自发极化降低，感生电荷的量也减少；而当温度降低时，电偶极子摆动角度减小，自发极化增强，感生电荷的量增加。

热释电材料主要包括单晶、多晶和玻璃态材料。

本实验采用单晶热释电材料，通过测量其温度变化时产生的电荷量，来验证热释电效应的存在。

三、实验仪器与材料1. 热释电材料（单晶）2. 温度控制器3. 电荷测量仪4. 加热器5. 数据采集系统四、实验步骤1. 将热释电材料放置在加热器上，并连接到温度控制器和数据采集系统。

2. 设置温度控制器的起始温度和结束温度，以及温度变化速率。

3. 开启加热器，使热释电材料温度逐渐升高。

4. 利用电荷测量仪实时测量热释电材料表面产生的电荷量。

5. 记录不同温度下的电荷量数据。

6. 分析实验数据，验证热释电效应的存在，并探究影响热释电输出的因素。

五、实验结果与分析1. 实验结果表明，随着温度的升高，热释电材料表面产生的电荷量逐渐减小；随着温度的降低，电荷量逐渐增加。

这验证了热释电效应的存在。

2. 分析实验数据，发现以下因素对热释电输出有影响：a. 热释电材料的种类：不同种类的热释电材料具有不同的热释电性能，其电荷量输出与温度变化的关系也不同。

b. 温度变化速率：温度变化速率越快，电荷量输出越大。

c. 热释电材料的尺寸：热释电材料的尺寸越大，电荷量输出越大。

d. 环境温度：环境温度越低，电荷量输出越大。

六、实验结论1. 本实验验证了热释电效应的存在，并成功测量了热释电材料在温度变化时产生的电荷量。

2. 实验结果表明，热释电材料的种类、温度变化速率、尺寸和环境温度等因素对热释电输出有显著影响。

怎样增加单位时间里的放热量（吸热量）
即增加电流I
dQ I dt
增加单位时间里流过 接头的载流子数目n
改变珀尔 贴系数II
增加接触电位差V
V的产生是因两 种金属中载流子
选取接触电位差 比较大的材料 浓度差（逸出功
不同）所引起的
半导体材料
半导体的珀尔贴效应
吸热 n P
放热
ห้องสมุดไป่ตู้
由于金属的接触电 位差比较小，况且高温 到低温的热传导率比较 大，所以采用导热率以 及电阻率低的材料—— 半导体材料。
第五章 热电效应
• 本章讲述热如何产生电动势，从能 量角度看，是热能向电能的转化。 • 在金属和半导体中存在电位差时产 生电流，存在温差时产生热流。从 电子论的观点来看，在金属和半导 体中，无论电流还是热流都与电子 的运动有关系，故电位差、温度差、 电流、热流之间会存在交叉联系， 这就构成了热电效应。
汤姆孙效应
• 习惯上I与d T / d x方向相同时若吸 热，则μ为正值。实际上，μ极难做 出准确测量。
• 当发生汤姆孙效应的时候，也有焦耳 热产生，但它们有本质的不同：焦耳 热是不可逆的，不论电流为何方向都 是放热的；其次，焦耳热产生率不与 电流大小成正比，而与电流的平方成 正比。
汤姆孙效应
• 对汤姆孙效应可做如下解释：如图 5-7所示，当某一金属存在一定温 度梯度（温差）时，由于温度高端 自由电子平均速度大于比温度低温 端，所以由高温端向低温端扩散的 电子比低温端向高温端扩散的电子 要多，这样使高温端和低温端分别 出现正、负净电荷，形成一温差电 动势V(T1,T2)，方向由高温端指 向低温端。
第二节 珀尔贴效应
珀尔贴效应的发现
珀尔贴效应的产生机理

压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。

金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势
即汤姆逊电动势。发生在同种金属两端之间。
AB (T1)
Ek
(T )
dT dl
l
0 Ek dl
T2 (T )dT
T1
A
B
回路总电动势：
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T )dT
T1 T2
B
(T
金属棒 ab ，两端 T1 T2
a
I T1
T1 T2
b
T2
流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。
原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）
温度高处（a）电子动能较大， a
向低温处扩散，形成电动势。非 静电力（扩散力）做负功，吸热；
T1
Ek
电流反向时，非静电力做正功，
放热。
E b
T2
还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓
3、光电子发射应用
光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用 于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电 流反应入射光强度）
光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在 工程、天文、军事上有重要应用。
电视摄像管
7-4 热电材料
一、热电效应（温差电效应）
用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合
InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.
光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图 像传感器。 2、结型光电二极管 （1）高速响应的光电探测器
对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电 流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在 光电子，故有延迟光电流产生。
对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。