压电和铁电的材料.pdfVIP

7.4 热电、压电和铁电材料 根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。一 类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界 电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。另一类固体材料 则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质 材料。 电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的 电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。电极化可以用极化强度 P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和 取向极化。有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称 为自发极化，它可用矢量来描述。由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一 个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷 重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现 了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通 常称为极轴。而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。 晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸 缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极 化性质相关的。晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体 的介电性。 7.4.1 热电材料 1. 热电效应 (1) 塞贝克(Seebeck)效应 当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形 成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中 会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度 梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应， 其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。塞贝克电动势的大小既与材料有关，也 是温度差的函数。在温度差∆T较小时，塞贝克电动势EAB与温度差呈线性关系， 即EAB=SAB∆T，式中SAB 为材料A和B 的相对塞贝克系数。通常规定，在热端的电 流由A流向B 时SAB 为正，此时EAB也为正；反之则为负。 (2) 珀耳帖(Peltier)效应 在塞贝克效应发现后不久，珀耳帖发现塞贝克效应的逆效应，即当两种金属 通过两个接点组成一回路并通以电流时，会使得一个接头发热而使另一个接头致 冷，这就是珀耳帖效应。由此效应而产生的热称为珀耳帖热，其数值大小既取决 于两种材料的性质，也与通过的电流成正比，即Q =Π I ，式中Π 为材料A和 AB AB AB B 间的相对珀耳帖系数。通常规定，电流由A流向B 时有热吸收的，珀耳帖系数为 正；反之为负。 (3) 汤姆逊(Thomson)效应 汤姆逊效应是基于塞贝克效应和珀耳帖效应而发现的第三个热电效应。汤姆 逊发现，只考虑两个接头处发生的效应是不完全的，还必需同时考虑沿单根金属 线由于其两端温度差而产生的电动势。因此在由A ，B两种金属组成一个回路的 两 接 点 处 温 度 分 别 为 T1 和 T2 时 ， 由 汤 姆 逊 效 应 产 生 的 电 动 势 应 为 T T 1 1 µ dT − µ dT —式中µ 称为汤姆逊系数，下标代表不同的金属，两种金属 ∫T A ∫T B 2 2 中的电动势是反向的。这样，由塞贝克效应和汤姆逊效应所产生的总电动势为： T 1 E = S T - S T + (µ −µ )dT AB 1 AB 2 ∫T A B 2 2 ．热电材料的应用 合金热电材料是最重要的热电材料之一，根据塞贝克效应的原理，被广泛地 应用在测量温度方面，这便是我们熟知的热电偶。不同金属组合而成的热电偶适 合于不同的温度范围，例如铜－康铜(60 ％Cu，40 ％Ni)适合于-200~400℃、镍铬 (90 ％Ni ，10％Cr) －镍铝(95