热释电转换
热释电实验报告(3篇)
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。
传感器名词解释
传感器：（广义）传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
（狭义）能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
（国家标准）能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
静态特性重要指标：线性度、迟滞、重复性、精度、灵敏度、阈值、分辨力和漂移。
线性度：通常,测出的输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度,重复性：重复性表示传感器在同一工作条件下,被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时,所得输出值（所得校准曲线）的一致程度。
迟滞表明传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间,输出-输入曲线不重合的程度。
精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标。
灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比,用k来表示。
阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时,只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化,这个最小值就称为传感器的阈值。
分辨力是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时,只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化,这个输入增量称为传感器的分辨力。
漂移量的大小是表征传感器稳定性的重要性能指标。
热释电效应:当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷,这种由于热变化而产生的电极化现象,称为热释电效应灵敏系数（k）：灵敏系数k是应变片的重要参数。
k值误差的大小也是衡量应变片质量的重要标志。
机械滞后（Z j）：对于已安装在试件表面的应变片,在温度恒定时,增加或减少机械应变过程中,在同一机械应变量的作用下指示应变的差数,称为应变片的机械滞后零点漂移（P）：对于已安装的应变片,在温度恒定和试件不受应力作用的条件下,指示应变随时间的变化数值通常简称为零漂。
蠕变（θ）：对于已安装的应变片,在承受恒定的真实应变情况下,温度恒定时指示应变随时间的变化数值称为蠕变。
应变极限（εlim）：对于已安装的应变片,在温度恒定时,指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值时的真实应变值称为应变极限霍尔效应：半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势U H（霍尔电势或称霍尔电压）。
热释电材料
热释电材料热释电材料是一种能够将热能转化为电能的材料。
它的基本原理是利用材料在温度变化下引起的晶体结构和材料导电性的变化来产生电荷。
在热释电材料中，最常见的是压电材料和热电材料。
压电材料的热释电效应是由于材料的晶格结构在温度变化下发生变化，导致材料内部产生电荷。
这种效应主要通过两种机制来实现：热演化机制和热膨胀机制。
在热演化机制中，材料的晶体结构会随着温度的变化而发生结构转变，从而产生极化。
而在热膨胀机制中，材料的热膨胀会导致晶格结构的畸变，从而产生极化。
这两种机制都会导致材料内部的电荷移动，从而产生电能。
热电材料的热释电效应是由于材料导电性的变化而引起的。
在一些特殊的热电材料中，温度的升高会改变材料的导电性能。
这是因为在材料的晶格结构发生变化后，材料的导电性能也会发生变化。
利用这种效应，热电材料可将热能转化为电能。
热释电材料的应用非常广泛。
例如，它可以用于温度传感器和热电发电器等设备中。
在温度传感器中，热释电材料可以将温度变化转化为电信号，从而实现温度的测量。
而在热电发电器中，热释电材料则可以将热能转化为电能，从而产生电力。
此外，热释电材料还可以用于人体感应器和生物传感器等设备中。
人体感应器是一种能够感知人体活动的设备，它可以通过检测人体的热辐射来实现。
热释电材料可以将人体的热辐射转化为电信号，从而实现对人体活动的感知。
而生物传感器则可以通过检测生物体的热辐射来实现对生物体的监测。
总之，热释电材料是一种能够将热能转化为电能的材料。
它可以通过热演化机制和热膨胀机制来实现热释电效应，也可以通过改变材料的导电性能来实现热释电效应。
热释电材料在温度传感器、热电发电器、人体感应器和生物传感器等领域有着广泛的应用。
热释电铁电篇
°C ° C ± 5° C 90° C ± 9° C → 4 mm 0 → mm2 − → 3m m3m 120
（立方） 顺电相
居里温度
（四方） 铁电相
（正交） 铁电相
（三方） 铁电相
罗息盐晶体：
顺电相 上铁电居里温度，24°C 铁电相
11
２．３．３ 铁电性
铁电性
电介质晶体中，电偶极子由于它们的相互作用而产生自发平行排列的现象。这 种过程类似于铁磁性中所看到的磁偶极子的自发排列，因而得名铁电性。 原子构型是温度的函数，材料的极化状态将随温度的变化而 变化，这种性质称为热电性(Pyroelectrocity) ，热电性是所 有呈现自发极化的晶体的共性。 铁电体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向， 在电场作用下，其取向可以改变，铁电体具有的这种性质叫 铁电性(Ferroelectricity)，存在自发极化并不是铁电体的充 分条件。
与磁畴类似，铁电体是由铁电畴组成的。 晶体中铁电相的自发极化总是会分裂成一 系列极化方向不同的小区域，其自发极化 在外部空间建立的电场互相抵消，因而， 整个单晶对外不呈现电场。
相邻 畴极 化方 向相 差 180º 相邻 畴极 化方 向相 差 90º
24
２．３．３ 铁电性
晶体的铁电性
铁电畴
铁电畴：铁电体从顺电相转变为铁电 相时具有自发极化，自发极化一致的 区域称为铁电畴铁 畴壁(Domain Wall)：铁电畴之间的界 面称为畴壁。 为使体系的能量最低，各电畴的极化 方向通常“首尾相连”。
当在低于居里点的温度范围内，一条晶轴 (c轴) 伸长而其他晶轴缩短， 晶体变成四方晶格 (如图所示)。在这种情况下，由于发生极化，Ti4+离 子将沿着晶体单元的晶轴方向分布。 由于晶体结构的不对称而造成极化现象，在不施加外电场或压力的常温 情况下，这种极化现象就存在。这种类型的极化称为自发性极化现象。
压电热释电铁电材料的应用
压电热释电铁电材料的应用引言：压电热释电铁电材料是一类独特的功能材料，具有压电、热释电和铁电效应。
这些特殊的性质使得压电热释电铁电材料在很多领域中有着广泛的应用。
本文将介绍压电热释电铁电材料的概念及其应用。
一、压电效应的应用：压电效应是指在外加电场的作用下，压电材料会发生形变。
压电效应在各个领域中有着广泛的应用。
例如，在声学领域，压电传感器利用压电效应将压力信号转化为电信号，用于测量、控制和监测声波。
在医疗领域，压电效应被应用于超声波技术中，用于诊断和治疗。
此外，压电效应还被应用于振动传感器、加速度计、压力传感器等领域。
二、热释电效应的应用：热释电效应是指在温度变化的作用下，热释电材料会发生电信号的变化。
热释电效应在能量转换和传感器方面有着重要的应用。
例如，热释电发电机利用热释电效应将热能转化为电能，实现能量的回收和利用。
此外，热释电效应还被应用于温度传感器、红外传感器等领域。
三、铁电效应的应用：铁电效应是指在外加电场的作用下，铁电材料会发生极性反转。
铁电效应在信息存储和传输方面有着广泛的应用。
例如，铁电存储器利用铁电效应来实现信息的存储和读取。
铁电材料还被应用于传感器、电容器等领域。
四、压电热释电铁电材料的综合应用：压电热释电铁电材料的综合应用在科学研究和工程实践中起到了重要的作用。
例如，在机械工程领域，压电热释电铁电材料被应用于振动能量收集器，将机械振动能量转化为电能，实现自供电。
在电子工程领域，压电热释电铁电材料被应用于传感器、开关等元件，实现电信号的控制和传输。
此外，压电热释电铁电材料还在声学、光学、生物医学等领域有着广泛的应用。
结论：压电热释电铁电材料的应用涵盖了许多领域，包括声学、医疗、能源、传感器等。
这些材料的特殊性质使得它们在能量转换、信息存储和传感器方面具有独特的优势。
随着科学技术的不断进步，压电热释电铁电材料的应用前景将更加广阔，为人类创造更多的价值。
热释电原理
热释电原理热释电现象是指当物体中存在温度梯度时，会发生电荷分布的现象。
这种电势差被称为热释电电势差。
热释电效应是一种源于非平衡热力学理论的自然现象。
在很多实际应用中，热释电现象被用来实现物体温度测量、红外探测、长距离无线通讯和防盗技术等。
本文将介绍热释电原理及其在实际应用科技领域中的应用。
我们先来了解一下热释电效应发生的基本原理。
从微观角度上讲，这种效应产生的根源，是由于电荷的热扰动及其在材料中电子散射行为引起的。
如果物体中存在温度差异，其中光电活性材料就会发生外部电场的修正行为，也就是产生所谓的热释电电势差。
这种电势差与温度的梯度成正比。
热释电效应的产生还与材料中的电子特性有很大的关系。
在低温下，材料的导电性非常小，甚至可以达到绝缘状态，因此称为绝缘体。
当材料被加热时，由于电子在材料中移动速度的增加及其能隙的缩小，材料就会逐渐变成一种导体，并产生电子热荷运动。
在这种情况下，热释电效应就会出现。
与其他物理现象不同的是，热释电电势是不依赖于材料形状及其大小的，也与传统的热电效应有所不同。
在热电效应中，温度梯度对电势的影响仅限于材料的两端，而在热释电效应中，电势的变化却可以遍及整个材料的各个部分。
热释电现象所形成的电势差，可以被用来测量材料表面或周围环境的温度差异。
在现代科技中，人们采用热释电相机进行红外成像是一种很常见的方法。
这种相机利用热释电效应在材料表面形成的电势差来显示物体的红外图像，从而实现可见光不可见的热像识别。
这种技术在很多领域中广泛应用，如科研、环保、军事、交通等领域。
在防盗技术领域，热释电原理也被广泛应用。
在一些保密场所或者公共场所，安装了热感应器可以实现自动检测，警示系统以及视频监控等功能。
当存在人或者其他动态物体时，产生的热释电信号可以被热感应器检测到，并转化成电信号，再由相应的处理器和警示器进行指示和警告。
热释电效应是一种基于非平衡态热力学理论的自然现象，它具有广泛的应用及研究价值，并被广泛应用于红外成像技术、长距离无线通信、防盗技术等诸多领域。
PZT与TeBi半导体材料热电转换特性的对比分析
研究 了不 同结构 形 式 的太 阳能 温差 发 电 机 ， 得 出 了一定 的功 率 输 出 。与 温差 电效应 相 比 ， 人 们利 用热 释 电效 应进行 热 电能量直 接转换 的技 术起 步 较晚， 但经 过几 十年 的发展 ， 该 技术 也从理 论分 析 进 入 到 实 验 与 应 用 的 阶 段 。２ ０ ０ ９年 ， Ｇｕ ｙ ｏ ｍａ ｒ 等［ ５ 对 利用 热释 电技术进 行能 量转换 的可行 性 进 行 了研究 ， 提 出利用 电感 式 同 步开关 技 术 可 以提 高这 类装 置的转 换效率 ； ２ ０ １ ０年 ， Ｘｉ ｅ等［ ６ 直接对 压 电陶瓷 进行加 热 实 现 了热 电的 直接 转 化 ， 并 通 过 理论分 析与 实验研 究 ， 分 析 了压 电 陶瓷的温 度 、 输 出 电压 及输 出 功率 三 者之 间 的关 系 ， 其实 验 装 置也获得 了 ０ ． ６ Ｖ 的最 大 电压 值和 ０ ． ２ ３￣ Ｗ／ ｃ ｍ。 的功率 密度 。２ ０ １ ２年 ， Ｌ ｅ ｅ等ｒ ７ ］ 根 据 Ｏｌ ｓ ｅ ｎ循 环 的基 本 过 程 利 用 ６ ０ ／ ４ ０ Ｐ（ ＶＤ Ｆ — Ｔ ｒ Ｆ Ｅ） 热 释 电 薄
出 的 电 能为 直 流 电 ， 表 现 出 小 电压 、 大 电流 的 特 点 。
关键 词 ：热释 电效 应； 温差 电效 应 ； 热 电转换 ； 对 比分 析
中图分类号 ： ＴＫ１ ２ ４ ； ＴＮ３ ８ ４ 文献 标识码 ：Ａ
０ 引 言
能 源是制 约社会 和经济 可持续 发展 的关 键 因 素 之一 。 当今 社会 和 经 济迅 猛 发 展 ， 伴 随 而来 的
热释电 还原
热释电还原
标题:热释电还原
热释电还原是一种金属冶炼过程,利用高温和还原剂从金属化合物中提取金属。
这种方法通常用于从难熔金属氧化物中获得金属,如从锆土矿石中提取锆、从钛矿石中提取钛等。
热释电还原过程主要分为以下几个步骤:
1. 预备物料
将金属氧化物和适量还原剂(如碳、氢气等)混合,制成球团、锭剂或其他便于处理的形状。
2. 加热反应
在高温炉中加热混合物,通常需要1000°C以上的高温。
在高温下,还原剂与金属氧化物发生化学反应,将金属氧化物还原为金属。
3. 收集金属
反应结束后,从熔渣、气体或其他产物中收集获得的金属。
还可进行进一步的精炼、冷凝等步骤。
这种方法的优点是能够从难熔金属氧化物中获得金属,适合提取高熔点难熔金属;缺点是耗能较高,对设备要求较严格。
热释电还原广泛应用于锆、钛、铬等难熔金属的生产。
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热释电转换
当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷 ,这种 由于热变化产生的电极化现象,被称为热释电效应。 目前,已发现的热释电材料可分成三类:(1)单晶材料,例如:硫酸三甘肽(TGS) 或铌酸锂;(2)陶瓷材料,例如:锆钛酸铅(PZT)和钛酸铅;(3)高分子薄膜材料,如: 聚偏二氟乙烯。 这三类材料中,性能最好的是陶瓷材料。 它的居里点高,自发极化 强度高,能大批量生产,成本低。
图 1. 热释电效应的工作原理
若 dt 时间内,热释电材料吸收热辐射,温度变化 dΔ T,极化强度变化 dP,则材 料的电流密度为 J = dP/dT ∙ d∆T/dt (1)
其中 dP/dT 称热电系数,用 p 来表示.dΔ T/dt 为温度变化率.热释电材料的
自极化强度与温度有关。
2、 热释电转换循环原理
图 2. 铁电体的典型电滞回线
热释电材料(铁电体)的电滞回线是温度的函数。在较低温度下,电滞回线表 现为较高的非线性,随着温度的升高则趋于线性。 只要保持等温条件,随着施加电 场的周期变化,电滞回线循环总是逆时针方向的,并且发生电能转化为热量的情 况,但如果将等温条件的限制移去,并将 2 个不同温度下的电滞回线重叠,则有可 能倒转电滞回线的方向,构成一个‘热生电’的回线。图 3 表示由 Olsen 等人提 出的热电转换循环。如图 3 所示,2 个不同温度下的电滞回线重叠在一起,循环 a-b-c-d-a 由处于高压、低温的 a 点开始。在外部高电压(电场强度)的作用下, 当热释电材料(如薄膜)的温度升高时,放电过程(a-b)发生。在高温下,外部高电
பைடு நூலகம்
1、 热释电效应的工作原理
介质材料中存在不同的电偶极矩,由于分子间正负电荷中心不重合而产生的 偶极矩称固有电偶极矩。 具有这种偶极矩的材料叫热释电材料。 热释电效应只能 发生在不具有中心对称的晶体材料中。热释电材料同普通的热电材料不同,它们 有自极化效应,即使在没有外电场的情况下,也存在电偶极矩。 热释电材料当温度 不变时,晶体表面的电荷被来自外部的自由电荷中和。 晶体温度变化越大,极化强 度变化就越大,表示大量的电荷聚集在电极。 热释电效应的形成原理如图 1 所示。
图 4 给出了用于奥尔森循环的实验系统示意和简化的测量电路图。 在系统中, 冷、热水交替地流过热释电薄膜,完成温度的循环过程;与此同时,外部电压施加 于热释电薄膜并在高、 低压之间作与温度循环同步的转换,由此实现奥尔森循环。 电路包括电源、 电压输出转换以及测量部分。流过热释电薄膜的电流可以通过电 阻 R1 直接测得,流过负载 Rl 的电流则通过电阻 R2 直接测得。电阻 Rd 为分压电 阻,用以保护测量通道。本文采用一套计算机数据采集系统来检测热释电的转换 过程。 通过机械压制的方法,在 200℃左右的温度下,将小球状的材料压制成厚度 约为 40μ m 的热释电薄膜。采用真空度膜的方法,使热释电薄膜的两面镀上厚约 0·5μ m 的铝膜,将它们作为电压的输入电极。采用导热胶带、电绝缘胶带以及 薄铜皮等材料将热释电薄膜封包 , 成为实验用的热释电薄膜 , 其有效面积为 10 cm2(即铝膜面积)。 为了提高热释电效应,正式实验前对热释电薄膜在一定的高温 和电压下进行极化处理。
压降到低电压,放电过程(b-c)进一步发生。在低电压下,当热释电材料的温度降 低,则充电过程(c-d)发生。继续升高外部电压,进一步的充电过程(d-a)发生,至 此热电转换循环 a-b-c-d-a 完成。其中阴影面积代表了净的电能输出。本文将这 一热电转换循环称为奥尔森(Olsen)循环。
图 3. 奥尔森循环示意图
图 4. 实验系统的示意和简化的测量电路图 在测量电路图 3 中,可以将热释电薄膜看作是一个电流源。对于负载 Rl,实 际的电压源起到保持施加电压的作用,而热释电薄膜则提供电流。在热释电电流 足够大时,显然负载所需的功率必来源于热释电薄膜,即转换来的热量。 通常热释电材料(铁电体)存在一个临界温度,即居里温度。当其温度超过居 里温度时,则发生相变,由铁电相变为非铁电相,自发极化也便消失了。有研究表 明,热释电材料共聚物的相变温度与施加的电场强度有关,会随着电场强度的增 强而提高。 因此,在实际的热释电循环中,热释电材料经历低电压和高温度时有可 能失去自发极化。如何匹配低端电压,以避免在高温时热释电材料失去自发极化 是实现连续热释电转换循环的关键。 适宜的工况条件应使得热释电材料在循环中避免失去自发极化。 施加电压对 热释电电流和热释电转换输出的电能密度都有较大的影响。 在相同的温度范围和 变化率下,随着施加电压的增加,热释电电流增大。提高低端电压和高、低端压差 有利于增加输出的电能密度。 这种热释电转换将在低温余热动力回收领域具有可 能的应用前景。