熱電效應(yīng)學(xué)生版

關(guān)于熱電效應(yīng)學(xué)生版第1頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)珀耳帖效應(yīng)湯姆孫效應(yīng)熱釋電效應(yīng)電熱效應(yīng)熱電子效應(yīng)，電阻溫度效應(yīng)第2頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第1節(jié)塞貝克效應(yīng)1821年德國物理學(xué)家塞貝克(T．J．Seeback)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路時(shí)，若在兩接頭端維持一溫差，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，后來稱此為塞貝克效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)或塞貝克電動(dòng)勢(shì)，上述回路稱為熱電偶或溫差電池。

第3頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖1-1(a)所示，在兩種金屬的二接頭處分別保持溫度回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)；如圖1-1(b)，將金屬導(dǎo)線1或2從中斷開，接入電位差計(jì)就可測(cè)得這個(gè)電動(dòng)勢(shì)ξ12

。它的大小與兩接頭的溫差和材料有關(guān)。與材料的關(guān)系可以用單位溫差產(chǎn)生的塞貝克電動(dòng)勢(shì)，即溫差電動(dòng)勢(shì)率來描述，它定義為第4頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月選用不同材料構(gòu)成溫差電偶．會(huì)有不同的溫差電動(dòng)勢(shì)率。對(duì)于兩種確定的材料，溫差電動(dòng)勢(shì)與溫差成正比，即(1-1)該式只在一定溫度范圍內(nèi)成立。線性關(guān)系很難在一個(gè)大的溫度區(qū)間內(nèi)保持。溫差電動(dòng)勢(shì)的一般表達(dá)式為（1-2)其中為另一個(gè)系數(shù)。兩種金屬構(gòu)成的回路有塞貝克效應(yīng)，兩種半導(dǎo)體構(gòu)成回路同樣有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，而且效應(yīng)更為顯著。為了說明塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，先了解接觸電位差

的概念。第5頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.逸出功與接觸電位差

在金屬中的自由電子猶如處在一個(gè)勢(shì)阱中，要將自由電子拉出金屬之外必須對(duì)它作功。使一個(gè)自由電子逸出金屬表面所需的功叫逸出功(或稱功函數(shù))。如果設(shè)電子在金屬之外的電位能為零，則在金屬內(nèi)電位能為負(fù)。根據(jù)靜電學(xué)知識(shí)，如果金屬之外電位為零，則金屬內(nèi)的電位為十V，金屬內(nèi)外極薄的表層就存在電位差V。因此，逸出功可看作外力使電子克服這個(gè)電位差V所作的功，其數(shù)值等于自由電子由界面以內(nèi)到界面以外電位能的增加，即逸出功（1-3）e為電子電荷，V稱為逸出電位。由于電子電量是恒定的，通常某金屬的逸出功可用逸出電位來表示。第6頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月不同金屬有不同的逸出功或逸出電位．逸出功不同,實(shí)質(zhì)上是金屬中自由電子的能量不同，能量大者，逸出金屬表面所需的逸出功或逸出電位就小；反之，自由電子能量較小，所需逸出功就大。逸出功的大小反映了金屬中自由電子能量的大小，大多數(shù)純金屬的逸出電位在3～4.5V之間，而鉑的選出電位則超過5V。金屬電子的逸出功在許多物理問題中占有重要地位，如光電子發(fā)射、熱電子發(fā)射、場(chǎng)致電子發(fā)射、溫差現(xiàn)象等。下面看兩種逸出功不同的金屬接觸時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象。第7頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

接觸電位差是由于兩種金屬接觸時(shí)，雙方自由電子相互擴(kuò)散的微觀過程達(dá)到平衡所引起的。擴(kuò)散的宏觀趨勢(shì)是自由電子由逸出電位小的金屬到選出電位大的金屬；由自由電子密度大的金屬到自由電子密度小的金屬。參照?qǐng)D1-2，設(shè)有溫度相同，逸出功不同的兩種金屬1和2，其逸出電位分別為V1和V2。且V1＜

V2。

圖1-2第8頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月由于逸出電位小的金屬，其逸出功亦小，而逸出功較小的金屬，其內(nèi)部自由電子能量較大，又電子有從能量較高處過渡到能量較低處的趨勢(shì)，所以當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)，電子從金屬l遷移到金屬2較之從金屬2遷移到金屬1來得容易。隨著電子從金屬1遷移到金屬2，金屬2將帶負(fù)電，而金屬l由于失掉電子而帶正電。在接觸處形成一偶電層，產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)E，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)阻止自由電子從1到2繼續(xù)擴(kuò)散。最后由于逸出功之差形成的擴(kuò)散力與電場(chǎng)力平衡，電子的擴(kuò)散就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即由l到2的電子數(shù)等于從2到l的電子數(shù)。此時(shí)1、2之間建立起一定的電位差

(1-4)即由于金屬逸出功不同而形成的接觸電位差等于兩種金屬逸出電位之差。平衡時(shí)，每個(gè)導(dǎo)體都是等位體，故接觸電位差是兩個(gè)導(dǎo)體接觸處的電位躍變。第9頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月回到圖1-1(c)，如果兩金屬接觸點(diǎn)的溫度，則兩接頭的電位差大小相同，方向相反，整個(gè)回路的總電動(dòng)勢(shì)為零。若，因?yàn)椴牧系囊莩龉蛞莩鲭娢慌c溫度有關(guān)，，回路的總接觸電位差為。當(dāng)兩接頭溫度不一樣時(shí)．還有一點(diǎn)值得注意，這時(shí)每種金屬的兩端都處于不同溫度，金屬上存在溫度梯度，這種溫度梯度在造成熱流的同時(shí)，也將造成自由電子的流動(dòng)，而流動(dòng)差會(huì)引起一種電位差，即——溫差電位差。第10頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2.溫差電位差參照?qǐng)D1-3（a），對(duì)于金屬1的高溫端T1，有較多的高能電子，而冷端T2有較多的低能電子。高能電子將向冷端擴(kuò)散，低能電子則向高溫端擴(kuò)散。然而擴(kuò)散速率一般是電子能量的函數(shù)，高溫端電子有較大的擴(kuò)散速率，因而將形成高溫端到低溫端的凈電子流。此電子流使電子在低溫端T2堆積帶負(fù)電，高溫端T1因缺少電子帶正電，產(chǎn)生一個(gè)阻止電子進(jìn)一步流動(dòng)的溫差電場(chǎng)，當(dāng)這電場(chǎng)對(duì)電子的電場(chǎng)力Fe等于電子的熱擴(kuò)散力Fτ時(shí)，金屬1的T1、T2兩端建立起穩(wěn)定的溫差電位差V1（T1、T2）。

圖1－3第11頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月類似地在金屬2的T1、T2兩瑞也建立起穩(wěn)定的溫差電位差V2（T1、T2），對(duì)于整個(gè)回路來說，金屬1、2上的溫差電位差反向；但由于材料不同，縱使溫差相同，二者也不會(huì)互相抵消。由圖1-3(b)可見，對(duì)于熱電偶，回路的總溫差電動(dòng)勢(shì)是四個(gè)電位差的代數(shù)和

(1-5)前兩項(xiàng)是兩接頭的接觸電位差的差，后兩項(xiàng)是兩種金屬上的溫差電位差的差。第12頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3．塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用

在半導(dǎo)體中的塞貝克效應(yīng)比金屬導(dǎo)體中的顯著得多，如金屬中溫差電動(dòng)勢(shì)率約為幾微伏每度，而在半導(dǎo)體中常為幾百微伏每度，甚至達(dá)到幾毫伏每度。因此金屬的塞貝克效應(yīng)主要用于測(cè)量，而半導(dǎo)體則用于溫差發(fā)電。適于溫度測(cè)量和溫差發(fā)電的一個(gè)基本系統(tǒng)筒略地示于圖1-4。幾個(gè)溫差電偶互相串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)溫差電堆，這種裝置與單個(gè)溫差電偶相比，可以提高靈敏度(對(duì)溫度測(cè)量)和增加功率輸出(對(duì)溫差發(fā)電)。對(duì)溫度測(cè)量，溫度TL是固定的，TH為待測(cè)溫度，而裝置D就是一個(gè)度量塞貝克電動(dòng)勢(shì)的電位差計(jì)；對(duì)于產(chǎn)生動(dòng)力來說，溫度TH，TL是兩個(gè)熱源的溫度，D則是由產(chǎn)生的電力來運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載，A和B分別代表P型和N型半導(dǎo)體。圖1-4第13頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)溫度測(cè)量盡管金屬比半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率小，對(duì)于精密溫度測(cè)量它仍比半導(dǎo)體較為可取，這是因?yàn)榻饘俨牧媳劝雽?dǎo)體材料價(jià)格低，較易制成諸如細(xì)線那樣的方便形式，具有更易再現(xiàn)的溫差電性質(zhì)，在較大的溫區(qū)能保持塞貝克電動(dòng)勢(shì)與溫差的線性關(guān)系；通過多個(gè)熱電偶串聯(lián)成熱電堆可以獲得高靈敏度，足以探測(cè)微弱的溫差乃至紅外輻射。鉑一鉑銠熱電偶可用至高達(dá)1700的溫度；鎳鉻鎳鋁熱電偶有更高的靈敏度和與溫度成正比的電動(dòng)勢(shì)；銅一康銅熱電偶在高于室溫直至15K的溫度范圍仍具有高靈敏度；低干4K的溫度可用特種金鈷合金一銅熱電偶或金鐵合金一鎳餡熱電偶。溫差電偶測(cè)溫被廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，僅在美國每年生產(chǎn)的溫差電偶材料就有幾百噸之多。第14頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)溫差發(fā)電由于半導(dǎo)體溫差電材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率比金屬的高得多．所以有實(shí)用價(jià)值的溫差發(fā)電材料多是半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安靜，無干擾并可利用多種熱源(如煤熱、油熱、地?zé)?、海洋溫?等優(yōu)點(diǎn)，且可在惡劣條件下工作，適于做空間飛行器、海底電纜系統(tǒng)、海上燈塔、石油井臺(tái)及無人島嶼上觀測(cè)站的輔助電源，還可用于心臟起搏器中。第15頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)珀?duì)栙N效應(yīng)

珀?duì)栙N效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)珀?duì)栙N效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理

珀?duì)栙N效應(yīng)的應(yīng)用珀?duì)柼?yīng)引發(fā)的思考

第16頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

珀?duì)栙N效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：1834年，珀?duì)栙N發(fā)現(xiàn)當(dāng)有電流通過兩個(gè)不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除了產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的接頭處分別出現(xiàn)吸熱和放熱現(xiàn)象，如果把電流反向，吸熱的接頭便會(huì)放熱，而放熱的接頭便會(huì)吸熱，這就是珀?duì)栙N效應(yīng)。一、改變電流方向，吸熱、放熱發(fā)生變化第17頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

珀?duì)栙N效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：1853年，Q．伊西留斯發(fā)現(xiàn)，在每一接頭上熱量的流出率(或流入率)與電流成正比：式中Π12是珀?duì)栙N系數(shù)，即單位電流每秒吸收或放出的熱量。單位是：瓦/安，也就是伏特；它的正負(fù)取決于接頭處是吸熱還是放熱（相對(duì)于導(dǎo)體本身），吸熱為正，放熱為負(fù)。注意：由于與珀?duì)栙N效應(yīng)相關(guān)的熱傳輸量很小，以及焦耳熱和湯姆孫效應(yīng)同時(shí)存在，因此，珀?duì)栙N系數(shù)的測(cè)量比較困難。二、home第18頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月珀?duì)栙N效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理：如上圖，在兩種金屬接頭處有接觸電位差，設(shè)其電場(chǎng)方向是由金屬1指向金屬2。在接頭A處電流由金屬2流向金屬1，即電子由金屬1流向金屬2，接觸電位差的電場(chǎng)阻礙電子運(yùn)動(dòng)，電子在這里要反抗電場(chǎng)力做功eV，它的動(dòng)能減少。減速的電子與金屬原子碰撞，從金屬原子取得動(dòng)能，從而使溫度降低，從外界吸收熱量；在接頭B處，接觸電位差的電場(chǎng)使電子加速，電子越過時(shí)，動(dòng)能將增加eV12，被加速的電子與接頭處的原子碰撞，把獲得的能量交給金屬原子，使該處溫度升高而釋放熱量。金屬熱電偶的帕爾帖效應(yīng)較小。半導(dǎo)體熱電偶的帕爾帖效應(yīng)大得多。12++++++––––––AB第19頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月溫差制冷珀?duì)柼?yīng)主要用來進(jìn)行溫差致冷。上節(jié)圖1-4的系統(tǒng)也適用于溫差致冷，用這種溫差電堆系統(tǒng)同樣可提高產(chǎn)冷量。這里裝置D就是一部電源。如果電流方向適當(dāng)，處于的接頭將發(fā)熱，而處于的接頭將吸熱。把在一熱源中固定，將會(huì)被冷卻，即電能不斷地把的熱量轉(zhuǎn)移到熱源中。圖1-4第20頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月帕爾帖效應(yīng)的應(yīng)用目前，用珀耳帖效應(yīng)致冷，溫差可達(dá)150℃之多。當(dāng)這種致冷器致冷容量超過幾十升時(shí)，其效率比不上壓縮循環(huán)式致冷機(jī)；但對(duì)小容量致冷，它是相當(dāng)優(yōu)越的(一種50L容量的典型裝置，需要40W的直流輸入功率，具有23W的致冷能力)，適用于做各種小型恒溫器以及要求無聲、無干擾、無污染等特殊場(chǎng)合，因此可用在宇宙飛行器和人造衛(wèi)星：真空系統(tǒng)的冷卻阱，紅外線探測(cè)器的冷卻裝置上以及在顯微鏡或切片機(jī)的冷臺(tái)上用來切割經(jīng)過冷卻的細(xì)胞組織等等。倒轉(zhuǎn)電流方向的溫差電致冷器又成為一個(gè)溫差電加熱器，用于貯藏食品很方便：食用前用作冷藏，食用時(shí)改變電流方向用來加熱。第21頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的珀?duì)栙N效應(yīng)homePn由于金屬的接觸電位差比較小，況且高溫到低溫的熱傳導(dǎo)率比較大，所以采用導(dǎo)熱率以及電阻率低的材料——半導(dǎo)體材料。吸熱放熱＋＋－－＋＋－－第22頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月為了提高效率，必須選擇珀耳帖系數(shù)大的半導(dǎo)體材料；為了使高溫到低溫的熱傳導(dǎo)小及產(chǎn)生的焦耳熱少，必須選用熱導(dǎo)率和電阻率小的材料。一般常用等V-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料。圖1-6表明半導(dǎo)體致冷器的原理性結(jié)構(gòu)，圖(a)為原理示意，圖(b)為串接致冷器。圖1－6第23頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月珀?duì)柼?yīng)引發(fā)的思考：1.珀?duì)柼?yīng)與材料本身的哪些因素有關(guān)系？2.珀?duì)柼禂?shù)除了與材料本身性質(zhì)有關(guān)外，還與哪些外界因素有關(guān)？3.當(dāng)金屬與P型半導(dǎo)體構(gòu)成回路時(shí)，載流子運(yùn)動(dòng)的物理圖象是什么？4.當(dāng)把P型、N型半導(dǎo)體接在一起時(shí)，能有珀?duì)柼?yīng)嗎？Home第24頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月進(jìn)一步的討論-----怎樣增加單位時(shí)間里的放熱量（吸熱量）增加單位時(shí)間里流過接頭的載流子數(shù)目n即增加電流I增加接觸電位差V選取接觸電位差比較大的材料V的產(chǎn)生是因兩種金屬中載流子濃度差（逸出功不同）所引起的半導(dǎo)體材料改變珀?duì)栙N系數(shù)IIBackGo第25頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)湯姆孫效應(yīng)湯姆孫效應(yīng)是1854年由W.湯姆孫發(fā)現(xiàn)的一個(gè)溫差電現(xiàn)象。電流通過具有一定溫度梯度的金屬導(dǎo)體，會(huì)有一橫向熱流流進(jìn)或流出導(dǎo)體，其方向視電流方向和溫度梯度方向而定。在原來溫度均勻的導(dǎo)體中不會(huì)發(fā)生湯姆孫效應(yīng)。湯姆孫效應(yīng)在下列意義上是可逆的，即當(dāng)溫度梯度或電流方向倒轉(zhuǎn)，導(dǎo)體從一個(gè)湯姆孫熱發(fā)生器變成一個(gè)湯姆孫熱吸收器。在單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出的熱量與電流I和溫度梯度成正比，即

(1-7)式中μ為湯姆孫系數(shù)，它與材料性質(zhì)有關(guān)。習(xí)慣上I和方向相同時(shí)若吸熱，μ則為正值。實(shí)際上μ極難做出準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)發(fā)生湯姆孫效應(yīng)的時(shí)候，也有焦耳熱產(chǎn)生，但它們有本質(zhì)的不同；首先，焦耳熱是不可逆的，不論電流為何方向都是放熱的；其次，焦耳熱產(chǎn)生率不與電流大小成正比，而與其平方值成正比。第26頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月湯姆孫效應(yīng)定性解釋

如圖1-7(a)所示，當(dāng)某一金屬存在一定溫度梯度(溫差)時(shí)，由于溫度高端自由電子平均速度大于低溫端，所以由高溫端向低溫端擴(kuò)散的電子比低溫端向高溫端擴(kuò)散的電子要多，這樣使高溫端和低溫端分別出現(xiàn)正、負(fù)凈電荷．形成一溫差電動(dòng)勢(shì)V（T1,T2)，方向由左指向右。若外加一從高溫端流向低溫端的電流,電子會(huì)不斷地從低溫端向高溫端流動(dòng)，同時(shí)被溫差電場(chǎng)加速。電子從溫差電場(chǎng)中獲得的能量，除一部分用于電子達(dá)高溫端所需要的熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增加外，剩余的能量通過電子與晶格的碰撞傳給晶格，使金屬溫度升高并放出熱量，如圖1-7(b)所示。圖1－7第27頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月湯姆孫效應(yīng)定性解釋當(dāng)外加電流從低溫端流向高溫端時(shí)，定向移動(dòng)的電子將在溫差電場(chǎng)的作用下減速，這些電子與晶格碰撞時(shí)從金屬原子取得能量，使晶格能量降低，這樣金屬溫度就會(huì)降低，并從周圍吸收能量，如圖1-7(c)所示。湯姆孫在深入分析塞貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)后，從理論上預(yù)言了湯姆孫效應(yīng)的存在，使建立一個(gè)關(guān)于溫差電現(xiàn)象的完整的熱力學(xué)理論成為可能。第28頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)溫差電偶的兩接頭存在溫差時(shí)，由于塞貝克效應(yīng)回路中會(huì)產(chǎn)生電流，反過來此電流又會(huì)引起珀耳帖效應(yīng)和湯姆孫效應(yīng)，三種效應(yīng)是統(tǒng)一的。以上事實(shí)說明溫差電動(dòng)勢(shì)率α，珀耳帖系數(shù)Π12以及湯姆孫系數(shù)μ1μ2一定存在某種關(guān)系。發(fā)現(xiàn)湯姆孫效應(yīng)的同時(shí)，湯姆孫由熱力學(xué)第一、第二定律導(dǎo)出了它們之間的關(guān)系式——開耳芬(湯姆孫)關(guān)系式：（1-8）

(1-9)用此方程，只要知道其中一個(gè)系數(shù)α

，就可知道另外兩個(gè)系數(shù)，一般選擇較易測(cè)量的。此方程已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1931年L.翁薩格所發(fā)展的不可逆過程理論得出了相同的方程，從而為其提供了較牢固的理論基礎(chǔ)。第29頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第4節(jié)熱釋電效應(yīng)

某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)最初是在電氣石上發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)電氣石被加熱時(shí)，晶體一端出現(xiàn)正電荷．另一端出現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)晶體被冷卻后，兩端電荷反號(hào)?？梢杂媚Σ疗痣姷狞S色硫磺粉和紅色鉛丹粉來檢驗(yàn)，前者帶負(fù)電，后者帶正電。吸附它們后，晶體黃色的一端為正極，紅色的一端為負(fù)極。具有熱釋電效應(yīng)的物質(zhì)叫熱電體，除電氣石外，還有硫酸三甘肽(TGS)、蔗糖、鐵電鈦酸鋇等。早在2300年前，熱釋電效應(yīng)就為人們所發(fā)現(xiàn)，但直到18世紀(jì)后期才有一些定性的研究，現(xiàn)在關(guān)于熱釋電性的研究日漸增多多，成為當(dāng)前固體物理最活躍的研究領(lǐng)域之一。第30頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月1．熱釋電效應(yīng)的定性解釋

熱釋電效應(yīng)只發(fā)生在非中心對(duì)稱并具有極性的晶體中，在32類點(diǎn)群晶體中只有10類滿足這些條件。在通常的溫度與壓強(qiáng)下，由于熱電體分子結(jié)構(gòu)具有極性，其內(nèi)部存在著很強(qiáng)的未被抵消的電偶極矩，它的宏觀電極化強(qiáng)度不等于零。這種自發(fā)極化幾乎不受外電場(chǎng)影響，但卻很容易受溫度影響。常溫下，一般熱電體溫度變化1℃產(chǎn)生的極化強(qiáng)度約為10－5C/m2，而在恒溫下，需70kV／m的外電場(chǎng)才能產(chǎn)生同樣大的極化強(qiáng)度。

第31頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月雖然熱電體內(nèi)存在很強(qiáng)的電場(chǎng)，但對(duì)外卻常常不顯示電性，為什么呢?

研究表明，通常在熱電體宏觀電偶極矩的正端表面．吸附一些負(fù)電荷，而在負(fù)端表面吸附正電荷．直到它形成的電場(chǎng)被完全屏蔽為止。吸附電荷是一層自由電荷層，其來源有兩種：一是晶體的微弱導(dǎo)電性導(dǎo)致一些自由電子堆積在表面；二是從大氣中吸附的異號(hào)離子。一旦溫度升高，極化強(qiáng)度減小，屏蔽電荷跟不上極化電荷的變化而顯示極性，溫度下降后，極化強(qiáng)度增大，屏蔽響應(yīng)一時(shí)來不及而顯示相反的極性。

第32頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月以上解釋示于圖1-8中。從本質(zhì)上看，熱釋電效應(yīng)是溫度變化引起了晶體電極化的變化。進(jìn)一步說，只有晶體存在單一極軸才有可能由于熱膨脹引起電極化變化而導(dǎo)致熱釋電效應(yīng)，因此，熱釋電效應(yīng)的必要條件又可歸結(jié)為晶體具有單極軸或自發(fā)極化。圖1－8第33頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2、熱電體與鐵電體的關(guān)系熱電體是壓電體的一個(gè)亞類，32種點(diǎn)群中除432點(diǎn)群外所有具有非中心對(duì)稱（共20種)的晶體都具有壓電性，而其中具有極性的10種有熱電性。這10種熱電體又有一部分稱為鐵電體，它們具有居里點(diǎn)，其自發(fā)極化能因外電場(chǎng)而重新取向。鐵由體在極化以后才表現(xiàn)出熱釋電效應(yīng)。

鐵電體都具有熱電性，但與非鐵電體的熱電性的微觀機(jī)理不盡相同。以電氣石為代表的非鐵電體的熱電性是其本身固有的，不需人工處理而得到。這類晶體自于微觀結(jié)構(gòu)對(duì)稱性太低，每個(gè)晶胞會(huì)出現(xiàn)非零的自發(fā)極化強(qiáng)度PS，并且所有晶胞的自發(fā)電偶極矩同向排列，使得宏觀極化強(qiáng)度P0＝PS。這類晶體的電偶極矩只有唯一的一個(gè)可能取向，并且一苴到晶體溫度升到熔化或在晶體完全破壞前，電偶極矩都不會(huì)消失，可以認(rèn)為整個(gè)晶體就是一個(gè)“電疇”。圖1－9第34頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵電體，例如TGS，在未經(jīng)特殊處理前，熱平衡下的宏觀極化強(qiáng)度恒等于零。但經(jīng)過人工極化(此過程叫駐極，即把適當(dāng)電介質(zhì)高溫加熱并置于強(qiáng)電場(chǎng)而后冷卻)后，使微觀電偶矩沿極化方向分量占優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生宏觀持久極化強(qiáng)度。經(jīng)過駐極的鐵電體是處于亞穩(wěn)態(tài)的，它的熱釋電效應(yīng)只在不太高的溫度范圍內(nèi)才是可以重現(xiàn)的，此時(shí)隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度較高并超過居里點(diǎn)時(shí)，其局部電偶極矩和空間電荷將獲得足夠多的熱激發(fā)能量，越過勢(shì)壘回到熱平衡態(tài)，使和熱釋電效應(yīng)消失。這種消失是破壞性的，即使再降低溫度，也不能恢復(fù)，而是回到人工駐極前的普通電介質(zhì)狀態(tài)；只有再施行人工駐極，才能恢復(fù)。第35頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐵電晶體由于自發(fā)極化可以在內(nèi)部形成若干均勻極化的區(qū)域，它們的極化方向不同，這些區(qū)域稱為電疇。以上現(xiàn)象均是電疇作用的結(jié)果。不僅鐵電單晶具有電疇，鐵電多晶也有電疇。圖1-10示出了作為典型鐵電多晶的鈦酸鋇系陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，(a)表示線度為0.1～10m數(shù)量級(jí)的晶粒包含若干電疇，各疇電偶極矩取向不同，因此P0=0；經(jīng)駐極后每個(gè)晶粒趨于單疇化，并且電偶極矩盡可能平行于外場(chǎng)方向，使P0≠0，如(b)所示。這樣鐵電陶瓷就成為熱電陶瓷。第36頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于熱釋電效應(yīng)的研究目前大多側(cè)重于技術(shù)應(yīng)用，積累的實(shí)驗(yàn)資料還不多，甚至有些現(xiàn)象的微觀機(jī)理還未弄明白．還有待人們深入探討和研究。熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱可用熱釋電系數(shù)來描述。設(shè)熱電體溫度均勻地改變了△T，且△T較小時(shí)，宏觀水久極化強(qiáng)度改變了△P0，則熱釋電系數(shù)定義為（1-10)這里P是矢量，一般有3個(gè)分量。迄今為止，對(duì)熱釋電系數(shù)的理論計(jì)算還很不完善，得出的結(jié)果通常只對(duì)個(gè)別晶體在一定溫度范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)大致相符。

第37頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3.熱釋電效應(yīng)的應(yīng)用

(1)主要熱釋電材料鐵電體的熱釋電系數(shù)比一般熱電體要大得多，特別是在接近居里溫度時(shí)(如圖5-11)，固此，具有實(shí)用價(jià)值的熱釋電材料都是鐵電體。目前了解得較多，性能較好且獲得廣泛應(yīng)用的材料有以下幾類：TGS及其衍生物、氧化物單晶、鐵電陶瓷、高分子壓電材料等。TGS是典型的鐵電體，具有較高的熱釋電系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，較低的介電常數(shù)，易從水溶液中培育出優(yōu)質(zhì)單晶，但也存在著居里溫度偏低，易退極化，易潮解的缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，可采取改變組分和摻雜的方法制成多種改性的TGS系列晶體。其它氧化物鐵電單晶如有機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。鐵電陶瓷如PZT，PLZT的性能易于通過政變組分來控制，價(jià)廉，適于批量生產(chǎn)和應(yīng)用。第38頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)熱釋電探測(cè)器熱釋電紅外探測(cè)器是近10年來發(fā)展起來的一種新型熱探器，廣泛用于輻射和非接觸式溫度測(cè)量、紅外光譜測(cè)量、激光參數(shù)測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)控制、安全警戒、紅外攝像與空間技術(shù)等。同以往的測(cè)輻射計(jì)、溫差熱電堆等比較，有以下特點(diǎn)：頻率特性好；室溫下工作，無需致冷；不需外部偏置場(chǎng)，體積小，重量輕，堅(jiān)固。圖1－12檢測(cè)原理可用圖1-12簡(jiǎn)要地說明。一紅外信號(hào)被探測(cè)器中的熱釋電器件接收，產(chǎn)生熱效應(yīng)，溫度升高△T，此過程中極化電荷減少，自由電荷變化不大，故凈電荷增加；當(dāng)溫度穩(wěn)定于T+△T以后，極化電荷不變，自由電荷卻減少，故凈電荷減少，直至為零。當(dāng)紅外信號(hào)被撤去后，溫度降低，仍有類似過程。探測(cè)器正是把這種凈電荷的變化做為輸出信號(hào)，它反映了紅外輸入信號(hào)的強(qiáng)弱。第39頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)熱釋電攝像管它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單．但分辨率不很高。可用于安全防護(hù)與監(jiān)視、檢查故障、醫(yī)學(xué)熱成象、監(jiān)視熱污染等。攝象管工作時(shí)，用鍺透鏡把運(yùn)動(dòng)的或經(jīng)過斬波的靜止的紅外圖像聚在熱釋電材料制成的靶面上：靶背用電子束掃描，使其保持一定的參考電位。于是靶電位發(fā)生正比于溫度改變的變化。掃描電子束必須沉積足夠多的電荷使靶恢復(fù)原來的電位。這樣就產(chǎn)生了視頻信號(hào)。國內(nèi)用ATGSAs晶體制成紅外攝象管，溫度響應(yīng)率4～5／℃，可分辨溫度小于0.2℃，信號(hào)靈敏度提高20%，圖象清晰度，抗強(qiáng)光能力明顯提高，滯后減小，已出口美、意等國。第40頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)生物體的熱釋電性

動(dòng)植物器官、組織中都有熱釋電效應(yīng)。動(dòng)物的生理響應(yīng)與熱釋電流一樣也與溫度變化率線性相關(guān)。貓的光感器官的研究支持這一結(jié)論。小麥的冬季品種在0℃或低于0℃時(shí)熱釋電系數(shù)出現(xiàn)峰值，而春季品種的熱釋電系數(shù)只隨溫度單調(diào)增加，因此，小麥的抗凍能力與熱釋電效應(yīng)有關(guān)。生物體的熱釋電性可能對(duì)生命過程產(chǎn)生非常大的影響。

第41頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第5節(jié)電熱效應(yīng)電熱效應(yīng)是熱釋電效應(yīng)的逆效應(yīng)。一個(gè)熱電體在絕熱條件下施加外電場(chǎng)來改變其永久極化強(qiáng)度時(shí)，它的溫度亦會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)施加電場(chǎng)使晶體極化時(shí)，晶體溫度將升高，這稱為絕熱極化加熱；當(dāng)施加反向電場(chǎng)使晶體去極化時(shí)，晶體溫度將降低，這稱為絕熱去極化致冷。早在19世紀(jì)末，開耳芬就曾預(yù)言，熱釋電晶體在電場(chǎng)中動(dòng)來動(dòng)去時(shí)，要經(jīng)歷加熱和致冷的過程。第42頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月絕熱去極化方法可以獲得至15K的低溫，較之絕熱去磁獲得低溫的方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需強(qiáng)磁場(chǎng)(不易獲得)而只需強(qiáng)電場(chǎng)(易獲得)。實(shí)驗(yàn)室中常用于獲得低溫的電熱材料有鈦酸鉀單晶，鈦酸鍶陶瓷以及PVF(聚氟乙烯)等駐極體。到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)有哪種材料具有足夠大的電熱效應(yīng)使這類致冷器進(jìn)入實(shí)用。注意電熱效應(yīng)與焦耳效應(yīng)不同，前者是電場(chǎng)引起溫度變化，是可逆的或部分可逆的(說明見下文)；后者是電流引起溫度變化，是不可逆的。宏觀上，可用電熱系數(shù)來描寫電熱效應(yīng)的強(qiáng)弱。第43頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電熱系數(shù)

電熱系數(shù)定義為單位外電場(chǎng)引起的溫度變化。利用熱力學(xué)理論，易求得不同邊界條件下的電熱系數(shù)。自由條件下(恒應(yīng)力)、夾持條件下（恒應(yīng)變）的電熱系數(shù)分別為（5-11）（5-12）

以上α

=1，2，3，分別為溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、熵、應(yīng)力、應(yīng)變、比熱、密度，和分別為總熱釋電系數(shù)和夾持熱釋電系數(shù)，腳標(biāo)S表示絕熱條件，即熵S為恒定值。利用上述電熱系數(shù)表達(dá)式，可得外電場(chǎng)E引起的溫度變化，

(5-13)對(duì)于不同的邊界條件，C、p加上相應(yīng)的角標(biāo)即可。

第44頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電熱效應(yīng)一般很微弱，例如，電氣石在室溫下電熱系數(shù)約為4.7×10－10km／V，PVF恒應(yīng)力電熱系數(shù)僅為2.4×10－9km／V。電熱系數(shù)如此之小，以至于通常是通過測(cè)量熱釋電系數(shù)和比熱，利用方程(1-11)(1-12)來計(jì)算，或由絕熱和等溫介電常數(shù)之差求出（1-14）為數(shù)不多的直接測(cè)量工作一直局限在非?？拷F電體的相變溫度附近，此時(shí)電熱效應(yīng)最大，例如KDP(鐵電磷酸二氫鉀)在其居里點(diǎn)以上1℃左右，場(chǎng)強(qiáng)10－2kV／m時(shí)，溫度變化可達(dá)0.1℃。為使電熱效應(yīng)不被焦耳效應(yīng)淹沒，只限于測(cè)定電阻率很高的絕緣材料。第45頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.低溫下的電熱效應(yīng)

W．N．勞里斯在研究低溫下(十幾K以下)鈦酸鉀單晶的電熱效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕熱極化加熱的溫度改變大于絕熱去極化致冷的溫度變化，因此，電熱效應(yīng)一般是不完全可逆的。他還發(fā)現(xiàn)，低溫下兩種過程都只能觀察到加熱效應(yīng)，而在高溫時(shí)，兩過程卻幾乎是可逆的。

為分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，勞里斯把溫度變化ΔT分解為可逆分量ΔTe和不可逆分量ΔTh，前者的符號(hào)取決于電場(chǎng)的變化，而后者則不一定。極化加熱過程ΔT=ΔTe+ΔTh，去極化致冷過程ΔT=ΔTh－ΔTe。第46頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1-13?？梢?，當(dāng)溫度低于某一溫度時(shí)(對(duì)KTaO3，E為4.1kV／cm時(shí)，此溫度為7K)，ΔT>0，無論是極化還是去極化過程都只能觀察到加熱現(xiàn)象；溫度升高ΔT

h

下降，在較高溫度下ΔT

h→0，而ΔTe保持一定的值，ΔT≈±ΔTe。故此時(shí)電熱效應(yīng)可近似認(rèn)為是可逆的。圖1－13第47頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第6節(jié)熱電子效應(yīng)

加熱固體，使其內(nèi)部電子的動(dòng)能增加，當(dāng)溫度足夠高，以致有一部分電子的能量大到足以克服逸出功時(shí)，電子就會(huì)逸出固體而進(jìn)入真空中，形成熱電子發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為熱電子效應(yīng)。熱電子發(fā)射是電子發(fā)射的一種，除此之外，還有場(chǎng)致電子發(fā)射，光電子發(fā)射，二次電子發(fā)射等發(fā)射形式。熱電子發(fā)射是在200多年前觀察空氣中灼熱物體的電荷損失時(shí)發(fā)現(xiàn)的。1883年愛迪生利用白熾燈泡第一次在真空中觀察到這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)稱為愛迪生效應(yīng)。其本質(zhì)直到1897年才被湯姆孫揭示，他證明了灼熱物體發(fā)射的電荷是電子，還測(cè)出了電子的荷質(zhì)比。熱電子效應(yīng)是電子管的物理基礎(chǔ)，雖然現(xiàn)代絕大多數(shù)電子管已被晶體管和集成電路所取代，但是它開辟了近代的電子工業(yè)，對(duì)人類的貢獻(xiàn)不容忽視。

第48頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月從受熱固體中發(fā)出的電子要受到固體內(nèi)部凈正電荷的吸引，從而堆積在固體表面，阻礙進(jìn)一步發(fā)射電子，不能形成電流，因此有必要做一個(gè)集電極(陽極)來收集這些電子。陽極和作為發(fā)射材料的陰極就構(gòu)成了一個(gè)真空二極管。把這個(gè)二極管連于圖1-14電路中。如果相對(duì)于陰極而言，陽極上的正電壓足夠高，聚集于陰極附近的電子和以后所有發(fā)射電子均被陽極收集，這時(shí)測(cè)出的電流就是飽和熱發(fā)射電流。實(shí)際上隨著陰極表面電場(chǎng)的增強(qiáng)，發(fā)射電流還會(huì)略有增加。因而為了求得真實(shí)的無外場(chǎng)的飽和電流，應(yīng)外推至外加電場(chǎng)為零時(shí)的電流值。

圖1－14第49頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月1.熱電子發(fā)射機(jī)理熱電子發(fā)射體中，研究和應(yīng)用得最早的是純金屬材料，其發(fā)射機(jī)理較為簡(jiǎn)單，是一切熱發(fā)射體共同的理論基礎(chǔ)。金屬中的自由電子象理想氣體分子一樣具有不同速度和能量，束縛在金屬邊界內(nèi)的自由電子，宛如一箱“自由電子氣”，它們各自具有不同能量和狀態(tài)，在熱平衡下，電子按能量有確定的分布。由于電子有自旋，按能量的分布受到泡利原理的制約：在同一個(gè)量子態(tài)上最多只允許分布一個(gè)電子，電子按能量的分布服從費(fèi)米一狄拉克分布，分布函數(shù)為

(1-15)它表示電子處于能量為E的量子態(tài)的幾率

第50頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-15是在不同溫度下的圖象。當(dāng)溫度T=0°K時(shí)，E＜EF，f（E）=1；而，

E＞EF；f（E）=0，在E=EF處發(fā)生陡直變化。這意味著EF以下的能級(jí)全被電子占滿，EF以上的能級(jí)全空著。當(dāng)T>0K時(shí)，靠近EF偏下的能級(jí)開始出現(xiàn)空位，EF之上的能級(jí)開始有電子占據(jù)，溫度把電子從低能級(jí)向高能級(jí)驅(qū)趕，溫度越高,趕到高能級(jí)的電子越多

圖1－15式中k為波耳茲曼常數(shù)，EF稱為費(fèi)米能或化學(xué)勢(shì)。在0K下，電子根據(jù)能量最小原理和泡利原理，從最低能級(jí)開始填充，每個(gè)能態(tài)填充兩個(gè)自旋相反的電子，逐次向上填充．到某能級(jí)填完所有電子，則該能級(jí)對(duì)應(yīng)的能量便為0K費(fèi)米能EF

。費(fèi)米能EF與溫度有關(guān)，溫度TK下的費(fèi)米能定義為f（E）=?，即占據(jù)幾率為時(shí)?時(shí)的能量。

第51頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月分布函數(shù)f（E)也可理解成能量E的一個(gè)量子態(tài)上的平均電子占據(jù)數(shù)，只要知道單位能級(jí)間隔對(duì)應(yīng)的狀態(tài)數(shù)(稱為態(tài)密度)，就可算出能量E～E+dE間隔內(nèi)的電子數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)物理可推得單位體積內(nèi)能量E~E+dE之間的電子數(shù)為(1-15a)式中常數(shù)：。

在金屬表面存在一個(gè)勢(shì)壘，當(dāng)金屬內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)著的電子打到金屬表面時(shí)，如果其能量小于勢(shì)壘高度．則它們不能克服勢(shì)壘障礙而逸出金屬；只有其垂直于金屬表面的動(dòng)能足以克服勢(shì)壘的那些電子才能逸出金屬。第52頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月為了方便說明，把不同溫度下金屬內(nèi)自由電子按能量分布同金屬表面勢(shì)壘并列畫于圖1-16，其中為逸出功。

圖1－16曲線1：是T=0K的情形，這時(shí)所有電子的能量都不超過Ef，當(dāng)然不可能有任何電子發(fā)射。曲線2：表示較低溫度時(shí)的情形，這時(shí)能量高于Ef的電子數(shù)很少，通常φ為幾個(gè)電子伏特．所以較低溫度下實(shí)際上觀察不到電子發(fā)射。曲線3：表示陰極溫度已高到一定程度(通常為1000K以上)，已具有相當(dāng)數(shù)量的能量高于E0的電子，如圖中陰影部分所示，這時(shí)就有相當(dāng)大的熱發(fā)射電流。第53頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月利用自由電子模型，可推得里查遜公式

(1-16)它表示純金屬在溫度T時(shí)的熱電子發(fā)射的電流密度。發(fā)射電流密度J隨溫度T的提高而迅速增大，以鎢為例，下表可說明這一點(diǎn)。對(duì)一定材料，A是一個(gè)常數(shù)，φ是發(fā)射體的逸出功(功函數(shù))。對(duì)里查遜公式求對(duì)數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫出的關(guān)系圖(里查遜圖)，此圖應(yīng)為直線，由其斜率可求逸出功φ，由其截距可求A。材料表面的清潔程度、晶面、熱膨脹等因素對(duì)A的影響較大，因此同種材料的不同樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較顯著。利用半導(dǎo)體理論可推得里查遜公式，因此半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射與金屬的相似。表面加電場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)導(dǎo)體熱電子發(fā)射的能力，具體請(qǐng)參看肖脫基效應(yīng)。第54頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2．熱陰極種類和典型的熱陰極材料

熱電子發(fā)射體(陰極)按制備材料分為四大類型：純金屬陰極、薄膜陰極、厚涂層陰極和金屬陶瓷陰極。作為熱電子發(fā)射材料，必須具備一定條件，例如：發(fā)射效率高，工作溫度低，逸出功小，壽命長、熔點(diǎn)高，具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能等?；痉蠗l件的純金屬陰極只有鎢，錸、鉭、鉬、鈮五種，其中鎢是最好的，具有發(fā)射穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于大功率，高電壓電子管中。但同另外一些陰極材料相比，鎢的工作溫度最高，發(fā)射效率最低，因此純金屬陰極的應(yīng)用范圍越來越小。若在鎢陰極的煉制過程中加入不易蒸發(fā)的氧化物，如二氧化釷，氧化鋁，二氧化硅等，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，制成薄膜陰極，可以得到比純鎢大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱電子發(fā)射。同時(shí)可用加碳、加鋇、加銫的方法使其發(fā)射穩(wěn)定和降低逸出功。第55頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

厚涂層陰極是目前應(yīng)用范圍最廣的一類陰極，特別是其中的氧化物陰極，是熱陰極的重大發(fā)展。它的逸出功之小，發(fā)射效率之高，瞬時(shí)電流之大遠(yuǎn)勝其它陰極，現(xiàn)代的接收放大管和中小功率振蕩管幾乎全部應(yīng)用這種陰極。常用的堿土金屬氧化物是絕緣體或半導(dǎo)體，一般把它附在基底金屬上，通過灼熱金屬得到加熱。還有一種陰極是金屬陶瓷陰極，也叫儲(chǔ)備式陰極。這種陰極由于蒸發(fā)而損失的發(fā)射物質(zhì)可以從陰極的一個(gè)特殊源泉得到不斷補(bǔ)充，因此它壽命長，不怕離子轟擊和氣體毒害。此類陰極用于發(fā)射電流大、壽命長的器件中。第56頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3.熱電子效應(yīng)的應(yīng)用

現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)甚至生活的很多方面都需要電子束，因此熱電子發(fā)射的應(yīng)用很廣。

(1)電子管借助電子在氣密管殼內(nèi)穿過真空或電離氣體，在電極之間運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的器件稱為電子管。最簡(jiǎn)單的電子管是二極管，可用于整流和檢波，它是由弗萊明在1897年首先制成的；再加入一個(gè)或幾個(gè)柵極，可制成三極管、四極管等。弗萊明和德福雷斯特分別制成三極管后，電子學(xué)時(shí)代就此開始了。世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是用18000只電子管制成的。電子管包括真空管和充氣管。真空管由這樣一些電極組成：一個(gè)能發(fā)射電子的電極；還有一個(gè)或幾個(gè)電極，其作用是收集電極，或建立變化的電場(chǎng)來控制電子的運(yùn)動(dòng)。充氣管利用熱電子沖擊低壓氣體或蒸汽使其電離，發(fā)生輝光放電和弧光放電，一般這種電子管充以低壓汞蒸氣或惰性氣體，日光燈和氖燈．閘流管都屬于充氣管。第57頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)、x射線管熱陰極發(fā)射的電子由靜電場(chǎng)加速到高速，然后撞擊置于路徑上的一塊固體靶，突然停止，從而產(chǎn)生x射線。X射線管也分為充氣管和高真空管，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。(3)陰極射線管電子束可以在某一表面上聚焦于一個(gè)很小的面積，并能改變其位置和強(qiáng)度，這種電子管就是陰極射線管，它屬于真空管。在一般應(yīng)用中，通常用熱電子轟擊光屏，使其發(fā)光，得到受輸入信息調(diào)制的光學(xué)圖像的輸出。常見的一種陰極射線管就是電視機(jī)上的顯像管。陰極射線管還大量用于測(cè)試儀器(如示波器)、攝像機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)的輸入輸出終端設(shè)備、傳真通信上。(4)電子顯微鏡是一種利用電子束使物體形成具有極高放大倍數(shù)和分辨本領(lǐng)圖象的裝置。它可觀察那些用普通光學(xué)顯微鏡不能分辨的精細(xì)結(jié)構(gòu)，還可對(duì)發(fā)射電子的表面進(jìn)行研究。在生物學(xué)、化學(xué)和冶金學(xué)中成為主要研究工具。電子顯微鏡可分辨間距小于0.3nm的物點(diǎn)，那是因?yàn)殡娮邮牟ㄩL很小(10－2nm量級(jí))的緣故。第58頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第7節(jié)電阻溫度效應(yīng)

材料對(duì)電流顯示電阻。長為，橫截面為S的樣品，其電阻(5-17)

ρ

稱為電阻率，它與材料及材料所處的外部條件有關(guān)。由上式可知，若l＝1m，S＝1m2則R＝ρ

，所以有時(shí)把單位體積的立方體在其對(duì)面間的電阻稱為電阻率。電阻率的單位為Ω·m。在室溫下，金屬導(dǎo)體的電阻率約在10－8～10－4Ω·m，其中最優(yōu)導(dǎo)體銀的電阻率為1.5×10－8·Ω·m

，最劣導(dǎo)體錳的電阻率為135×10－8

Ω·m；絕緣體的電阻率約在108～1018Ω·m；半導(dǎo)體介于二者之間，典型10－5～106

Ω·m。

第59頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻率還隨外部條件的變化而變化，如隨磁場(chǎng)(磁敏電阻)、壓力(壓敏電阻)變化。溫度也是影響電阻率的因素，物質(zhì)電阻率或電阻隨溫度變化的現(xiàn)象，稱為電阻溫度效應(yīng)。對(duì)于金屬和絕緣體、半導(dǎo)體，電阻率隨溫度變化大不相同，金屬電阻率隨溫度的升高而增大，電阻溫度系數(shù)為正，根據(jù)實(shí)驗(yàn)知道，純金屬的電阻率在一定溫度范圍內(nèi)與溫度之間有線性關(guān)系，

(1-18)

分別表示t℃，0℃時(shí)電阻率，α為電阻溫度系數(shù)，單位為1/℃

。第60頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)純金屬值約為0.004，也就是溫度升高1℃，電阻率約增加0.4％。利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化的熱致電效應(yīng)，可制成電阻溫度計(jì)來測(cè)量溫度。常用的金屬是鉑和銅。鉑電阻溫度計(jì)適于-200℃～500℃范圍的溫度測(cè)量，銅電阻溫度計(jì)適于-50℃～150℃范圍的溫度測(cè)量。有些合金，如康銅(鎳銅合金)和錳銅，電阻溫度系數(shù)特別小，常用這類合金線來繞制標(biāo)準(zhǔn)電阻。

隨著溫度的降低，某些金屬、合金及化合物的電阻率在某一特定溫度，電阻率突降至近乎是零，這稱之為超導(dǎo)現(xiàn)象。第61頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬電阻率的電子散射的機(jī)制

金屬的電阻率是由傳導(dǎo)電子的散射引起的，散射的機(jī)制有二：

(1)由于晶格上的金屬離子的熱振動(dòng)造成對(duì)傳導(dǎo)電子的散射；(2)由于雜質(zhì)原子、填隙原子、位錯(cuò)和晶粒間界這樣一類晶格的欠完備性對(duì)傳導(dǎo)電子的散射，這是由于不完備處的靜電勢(shì)與完備晶體的靜電勢(shì)不同。一般認(rèn)為后者與溫度無關(guān)，是造成某些金屬0K下所謂剩余電阻率的原因。而前者是與溫度有關(guān)的．隨著溫度的升高，晶格上金屬離子的熱振動(dòng)加?。畟鲗?dǎo)電子與晶格碰撞頻率或傳導(dǎo)電子受到散射的幾率加大，從而電阻率加大。第62頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)絕緣材料和半導(dǎo)體具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)．也就是電阻率隨溫度的升高而減小，并且電阻率隨溫度的變化率比金屬的更大。絕緣體，半導(dǎo)體具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)可以這樣定性地解釋：對(duì)于二者，隨著溫度的升高，會(huì)有更多的電子從價(jià)帶或雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了更多能參與導(dǎo)電的載流子(電子和空穴)，增大了載流子濃度。材料的電阻率不僅與載流子的碰撞或受散射的頻率有關(guān)，還與載流子濃度有關(guān)，隨著載流子濃度的增加，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率便下降。第63頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月利用半導(dǎo)體這一靈敏的電阻溫度效應(yīng)制造出的熱敏電阻是測(cè)量和自動(dòng)控制中很有用的電子元件。熱敏電阻的溫度與電阻關(guān)系可由下式給出：（1-19）R和R0分別為在溫度TK和T0K下的電阻．B為熱敏電阻常數(shù)。如果用作為溫度系數(shù)α的定義．則由上式可得

(1-20)自此可知，電阻溫度系數(shù)與溫度有關(guān)。第64頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月NTC熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)。熱敏電阻隨溫度的阻值變化率比較大，所以熱敏電阻在給定的溫度范圍內(nèi)能提供更多的解決方法。熱敏電阻較大的阻值變化率允許它們使用較長的導(dǎo)線而不用導(dǎo)線補(bǔ)償。另外它們