電(電場(chǎng))的各種效應(yīng):
所謂接觸電效應(yīng),是指兩種不同材料接觸時(shí)引起的與它們未接觸獨(dú)立存在時(shí)不同的電效應(yīng)。它是相當(dāng)廣泛的一類效應(yīng),包括金屬-金屬、金屬-半導(dǎo)體、金屬-電解液、P型-N型半導(dǎo)體、金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)接觸等眾多的效應(yīng)。它們中有的與傳感器技術(shù)密切相關(guān),有的是相當(dāng)尖端的技術(shù)。其本質(zhì)是載流子在不同的物體接觸狀態(tài)下表現(xiàn)出的各種效應(yīng)。
接觸電效應(yīng)的形成條件:在物體中形成電流的必要條件是要存在導(dǎo)電載流子。金屬的導(dǎo)電載流子是自由電子,電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電載流子是正、負(fù)離子,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電載流子是電子與空穴,氣體中的導(dǎo)電載流子是帶電離子。接觸時(shí),不同物體間載流子的運(yùn)動(dòng)、相互作用會(huì)發(fā)生變化,形成各種效應(yīng)。例如:“金屬-金屬”接觸的一個(gè)重要效應(yīng)就是熱電偶效應(yīng),可以用來(lái)測(cè)量溫度;MOS接觸效應(yīng)可被用作電荷耦合器件(CCD),利用大規(guī)模集成技術(shù)將感光器件和控制邏輯電路同經(jīng)離子注入、高摻雜或交疊柵等改善CCD性能的微細(xì)加工過(guò)的CCD集成在一起,構(gòu)成攝像的固體器件,廣泛地用作圖像的固態(tài)傳感器等。
壓電效應(yīng)
某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。相反,當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng),這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形,電場(chǎng)去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng),或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。
電熱效應(yīng)
電熱效應(yīng)指的是熱電體在絕熱條件下,當(dāng)外加電場(chǎng)引起永久極化強(qiáng)度改變時(shí),其溫度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。它是熱釋電效應(yīng)的逆效應(yīng)。
電熱效應(yīng)是指對(duì)在絕熱條件下施加電場(chǎng)能可逆改變材料的溫度的現(xiàn)象,該效應(yīng)與相變非常接近。但過(guò)去發(fā)現(xiàn)的材料電熱效應(yīng)很弱,不能進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。英國(guó)劍橋大學(xué)A. S. Mischenko與合作者,研究發(fā)現(xiàn)350nm厚的PbZr0.95Ti0.05O3薄膜在接近居里溫度(222℃)時(shí)具有巨電熱效應(yīng)(0.48K/V)。該材料有望在電制冷中得到應(yīng)用。相關(guān)研究論文發(fā)表在2006年3月3日Science, 311(5765):1270—1271上。
電熱效應(yīng)與焦耳效應(yīng)不同。后者是物體中通過(guò)電流時(shí)引起溫度變化的現(xiàn)象,是不可逆的;而前者是外加電場(chǎng)引起熱電體的溫度變化,是可逆或部分可逆的。但當(dāng)焦耳效應(yīng)同電熱效應(yīng)同時(shí)存在時(shí),前者可能淹沒(méi)后者。為此,目前的技術(shù)水平只能限制在高電阻率的絕緣材料中應(yīng)用電熱效應(yīng)。在相變溫度附近,電熱效應(yīng)最強(qiáng)。例如:鐵電磷酸二氫鉀(KDP)在其居里點(diǎn)以上1℃左右環(huán)境中,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到102kV/m時(shí),其溫度變化可達(dá)0.1℃。
電光效應(yīng)
電光效應(yīng),是將物質(zhì)置于電場(chǎng)中時(shí),物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向異性,物質(zhì)的折射率因外加電場(chǎng)而發(fā)生變化的現(xiàn)象為電光效應(yīng)。
電光效應(yīng)包括泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)和克爾(Kerr)效應(yīng)。電光效應(yīng)是指某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向異性的效應(yīng)。
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電流的各種效應(yīng):
電流的熱效應(yīng)(焦耳效應(yīng))
即電流流過(guò)物體產(chǎn)生的不可逆的發(fā)熱現(xiàn)象。每一點(diǎn)發(fā)熱的單位體積功率正比于電阻率和電流密度的平方。
電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)化成熱能,把這種現(xiàn)象叫做電流熱效應(yīng)。如電燈(白熾燈)、電爐、電烙鐵、電焊…等,都是電流熱效應(yīng)的例子。
電流的磁效應(yīng)
電流的磁效應(yīng)(通電會(huì)產(chǎn)生磁):任何通有電流的導(dǎo)線,都可以在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象,稱為電流的磁效應(yīng)(由奧斯特首先發(fā)現(xiàn))。給繞在軟鐵心周圍的導(dǎo)體(線圈)通電,軟鐵心就會(huì)產(chǎn)生磁性,這種現(xiàn)象就是電流的磁效應(yīng)。如電鈴、蜂鳴器、電磁揚(yáng)聲器…等都是利用電流的磁效應(yīng)制成的。
電流的化學(xué)效應(yīng)
電流通過(guò)導(dǎo)電的液體會(huì)使液體發(fā)生化學(xué)變化,產(chǎn)生新的物質(zhì)。電流的這種效果叫做電流的化學(xué)效應(yīng)。如電解,電鍍,電離…等就屬于電流化學(xué)效應(yīng)的例子。
電流的熱效應(yīng)、磁效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)統(tǒng)稱為“電流的三大效應(yīng)”。
電流的光效應(yīng)
電流流過(guò)充有氣體的輝光燈(日光燈),會(huì)使氣體發(fā)光,但極少加熱。這就是電流的光效應(yīng)。
電流的生理效應(yīng)
人用手觸摸兩根電壓差為4.5V的裸銅線,會(huì)感到輕微的震顫和微酸的感覺(jué),即電流使人觸電。這就是電流的生理效應(yīng)。
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磁效應(yīng):
磁-力效應(yīng)
magneto-mechanical effect
指強(qiáng)磁體在磁場(chǎng)作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。反之,在外力作用下強(qiáng)磁體的磁性會(huì)改變。磁-力相互密切關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象(效應(yīng))總是互易地存在于同一強(qiáng)磁體中。這些效應(yīng)多發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì),目前一般稱為廣義磁致伸縮。20世紀(jì)以來(lái),對(duì)線性磁致伸縮的現(xiàn)象和理論進(jìn)行了廣泛深入的研究,并在軍事、電子工業(yè)等方面得到了實(shí)際應(yīng)用。
線性形變 強(qiáng)磁體在磁化后,其線度發(fā)生變化,體積不變。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)上往往選用細(xì)長(zhǎng)棒狀磁體,其線度變化有三種形式:
① 焦耳效應(yīng)。J.P.焦耳在1847年第一次發(fā)現(xiàn),將鐵棒沿軸向磁化時(shí),其長(zhǎng)度伸長(zhǎng)或縮短,直到飽和磁化后才不再變化。如伸長(zhǎng)或縮短的相對(duì)大小用飽和磁致伸縮系數(shù)表示,其量級(jí)一般在10~10范圍 鐵和鈷的>0,表示伸長(zhǎng);鎳的<0,表示縮短。這一現(xiàn)象又稱為線性磁致伸縮效應(yīng)。
② 吉耳曼效應(yīng)。將鐵棒兩端下側(cè)固定的支架上,在縱向磁場(chǎng)作用下,棒的上部受張力伸長(zhǎng),致使整個(gè)棒變彎,故又稱磁彎曲效應(yīng)。
③ 磁(致)彈(性變化)效應(yīng)。當(dāng)強(qiáng)磁體被磁化后,其楊氏模量發(fā)生變化。F.S.布開(kāi)在1887年發(fā)現(xiàn)鐵的值變化了1.5%。這種現(xiàn)象通常叫做E效應(yīng),目前研究的比較多。人們也稱之為布開(kāi)效應(yīng)。
環(huán)形變化 棒形強(qiáng)磁體在特定的磁場(chǎng)作用下,除棒長(zhǎng)發(fā)生變化外,同時(shí)還發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變,具體表現(xiàn)為:
① 維德曼效應(yīng)。在縱向和環(huán)向磁場(chǎng)同時(shí)作用之下,強(qiáng)磁體棒發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變,故又稱之為磁致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
② 金伯耳(Kimball)效應(yīng)。強(qiáng)磁體磁化后,由于形變而引起剛性變化。以后不少研究結(jié)果證實(shí)了這一現(xiàn)象,又稱磁致剛性效應(yīng)。
體磁致伸縮效應(yīng) 磁有序體在磁轉(zhuǎn)變(有序)溫度以下,由于交換作用產(chǎn)生的自發(fā)磁化,會(huì)使其體積發(fā)生變化,稱為體磁致伸縮效應(yīng)。W.F.巴瑞特于1882年首次觀測(cè)到此現(xiàn)象,故又稱巴瑞特效應(yīng)。
愛(ài)因斯坦-德哈斯效應(yīng) A.愛(ài)因斯坦和W.J.德哈斯在1915年從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到,一根豎直懸掛而可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁棒在縱向磁化時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),又稱磁致轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。
巴涅特效應(yīng) 強(qiáng)磁體棒繞其軸旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生磁化現(xiàn)象。S.J.巴涅特兄弟在1914年首先實(shí)驗(yàn)上測(cè)出這一結(jié)果,又稱轉(zhuǎn)動(dòng)磁化效應(yīng)。它是磁致轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的逆效應(yīng)。這種磁性與力學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象是由于電子自旋磁矩與自旋角動(dòng)量密切相聯(lián)系而引起的。從上述實(shí)驗(yàn)得到鐵磁物質(zhì)因子(回磁比)近似等于2。由此得出結(jié)論,所有3d族元素的磁性主要是電子自旋磁矩貢獻(xiàn)的。