22.晶体压电性产生原因及压电材料的应用 晶体压电性产生原因
正压电效应的表现是晶体受力后在特定表面上产生束缚电荷，但直接作用是力使晶体形变，即改变了原子相对位置，产生束缚电荷的现象表明出现了净电偶极矩。
当晶体具有对称中心时，只要作用力没有破坏其对称中心的结构，此时由于正、负电荷呈对称排列，即使受到应力作用产生形变，也不会产生净电偶极矩。因此，具有对称中心的晶体总电矩为零。
若取一不存在对称中心的晶体，加上外力后，正负电荷中心不再重合，结果产生净偶极矩，这就产生了压电效应。
由上面分析可知，具有对称中心的晶体总电矩永远为零，从而不可能有压电性。但并不是没有对称中心的晶体都必定具有压电性。因为压电晶体首先必须是电介质(或至少具有半导体性质)，同时其结构中还必须存在带正电荷和负电荷的质点（离子或离子团），所以，压电晶体还必须是离子性晶体或由离子团组成的分子晶体。 压电材料的应用
①水声换能器是压电材料的一项重要应用。压电材料水声换能器是利用正、逆压电效应以发射声波或接收声波来完成水下观察、通讯和探测工作。
②压电材料在超声技术中的应用十分广泛。其中有利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力应用在如超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声打孔、超声粉碎、超声分散等装置上的机电换能器等方面。压电材料作超声换能器，具有结构简单、使用方便、灵敏度高、选择性好、易与电源匹配、耐振动冲击、稳定性良好及小型轻便等优点。
③高电压发生器：利用正压电效应将机械能转换成电能，产生的电压很高，因此高电压发生器是压电材料最早开拓的应用之一。如：压电点火器、引燃引爆装置、压电开关和小型电源等。
④其他应用：压电材料以其优良的机电性能、高的化学稳定性制成电声器件，如拾音器、扬声器、鸣器等。另外，压电材料还可应用在压力计、流量计、计数器等仪表中。 23.热释电性产生的条件及热释电材料的应用
由于温度作用而使极化发生变化，这就是热释电性，具有热释电效应的晶体一定是具有自发极化(固有极化)的晶体，因此，具有对称中心的晶体不可能有热释电效应，只有晶体的结构中存在着与其它极轴不相同的唯一极轴(极化轴)时，才有可能因热膨胀而引起总电矩的变化，即出现热释电效应。
目前，热释电晶体己广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，也是较理想的红外激光探测器，还可用于非接触测温、火车热轴探测、森林防火和无损探伤等方面。 24.仔细说明三种热电效应的的异同点
在用不同种导体构成的闭合电路中，若使其结合部出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电势，这种现象称为热电效应，包括塞贝克（Seebeck）效应、珀尔帖（Peltier）效应、汤姆逊（Thomson）效应三种。
1. 塞贝克效应——1821年发现，热电偶的基础
若两种不同材料构成电路开路时，接点1、2分别为不同的温度T1(低温)、T2(高温)，则回路内将产生电动势(热电势)，这种现象称为塞贝克效应。其电动势大小与材料和温度有关。
2. 珀尔帖效应——1834年发现
若在两种不同材料构成闭合电路中流过电流I，则在两个接点的一个接点处产生热量W（放热），而在另一接点处吸收热量W'，这种现象称为珀尔帖效应。且W= W'，产生的热量正比于流过回路的电流，比例系数πab称为珀尔帖系数，大小取决于所用的两种导体的种类和环境温度。
3. 汤姆逊效应——1854年发现
在具有温度梯度的一根均匀导体中通过电流时，会产生吸热和放热现象。这种在现象称为汤姆逊效应。 总言之：热能转换为电能的塞贝克效应；电能转换为热能的珀尔帖效应，它是塞贝克效应的逆效应。汤姆逊效应与珀尔帖效应相似，但它是同一种材料的效应，而塞贝克效应和珀尔帖效应是两种材料的效应。
25.镍氢电池的工作原理
Ni／MHx电池的正极为NiO．OH，负极为储氢合金，如MmNi--Co，Ti--Ni等，碱性水溶液（KOH）为电解液。
负极放电过程首先是储氢合金中的氢扩散到合金表面，然后合金表面的氢通过电化学反应生成水。在正极是NiO．OH接受氢生成Ni(OH)2；充电过程正相反。写出电化学反应式如下：
在正极 NiO．OH十(1／2)H2十e— ==== Ni(OH)2十OH— 在负极 MHx十OH—一e—======MHx—l十H2O (1／2)H2十OH—=====H2O十e—
总的效果 MHx十NiO．OH=====MHx—l十Ni(OH)2
贮氢合金电极的作用是进行氧化还原反应的同时进行氢离子的吸收或释放。 26.ZrO2高温固体氧化物燃料电池工作原理及应用
当用稳定氧化锆来隔开氧分压不同的两种气体时，氧离子从氧分压高的一侧向氧分压低的一侧迁移，这时，如果在低的一侧存在氢等可燃性气体，便可引起下列反应：
阳极上： O2- + H2 一→ H2O + 2e
C + O2-一→ CO2 + 2e
阴极上： O2 + 4e-- 一→ 2O2-
总的反应是： H2 + CO + O2 一→ H2O + CO2
上式表明，在生成水蒸汽的同时，产生自由电子(e)。通过电路将电子不断地引走，氧离子不断地在氧分压低的一侧出现。这是一种新型燃料电池，称为高温固体电解质燃料电池。只要连续不断地提供可燃性气体(H2、CO、CH4等)和氧化剂气体(O2或空气)就可连续发电，这就将化学能直接转为电能，省掉了普通发电所需的庞大的动力设备(如锅炉和汽轮机等)，因而效率可大大提高，理论上可达100％，实际上也大大高于火电厂而达到60％～70％。
利用上述过程的逆过程，能把人体呼出的CO2还原为氧气，对于宇航技术的生命支持系统是非常有用的，因此上述氧气再生系统为人类长期邀游太空或者漫游探海提供了可能。 27.智能材料需要具备哪些最基本的功能，原因何在？
智能材料必须同时具有三项最基本的功能：传感(sensing)、调节驱动(actuation)、加工处理(Processing)。与这三项功能潜在联系的是必须同时具有能量转换机制，信息传递机制。这些都涉及到分子原子尺度上的物理、化学概念的变化。
传感器功能即智能材料能够自身探测和监测外部环境条件的变化。加工处理功能在于评估已探测到的信息、并利用已有记忆资料，做出有判断的协调一致的反应。这个反应靠调节器执行。为完成这一切功能必须有能源供应。因此智能材料必然有能量转换机制，可以从外部环境或自身的物理化学过程传递能量。智能材料设计制造者必须考虑从晶体结构、分子结构、电子结构和晶界方面的变化来完成这些功能。 28.温度、压力与形状记忆效应及伪弹性出现的关系
形状记忆效应和伪弹性的出现与温度和应力有直接关系。可以出现四种情况：
(1)在Mf以下，马氏体相在热力学上是稳定的，应力除去后，有一部分应变残留下来。这时如果在As以上温度加热，变形会消失，即出现形状记忆效应。
(2)合金在Ms和As之间的温度范围拉伸，由于应力诱发马氏体相变，使合金产生附加应变，加热可使变形消失，属于形状记忆效应。
(3)合金在Af以上温度进行拉伸，此时马氏体只有在应力作用下才是稳定的，合金的变形是由于应力诱发马氏体相变引起的，应力卸除，变形即消失，马氏体逆转变为母相。这种不通过加热即恢复到母相形状的现象称为超弹性或伪弹性。
(4)不仅对母相施加应力诱发马氏体相变会产生伪弹性，而且在Mf温度下，应力能诱发具有其它结构的马氏体。这种应力诱发马氏体在热力学上是不稳定的，仅能在应力下存在，应力除去后，逆转变为原始结构马氏体而出现伪弹性。
29.概念：本征半导体与掺杂半导体；超导隧道效应；外光电效应与内光电效应；电光Pockels效应与Kerr 效应；磁光法拉第效应与磁光克尔效应 ①本征半导体与掺杂半导体
本征半导体：不含有任何杂质的半导体，在外部能量作用下激发价带中的电子产生跃迁，称为本征激发，相应产生的电导称为本征电导，而这种半导体为本征半导体。
掺杂半导体：本征半导体中掺入一定量的杂质元素，这种半导体为掺杂半导体。
②超导隧道效应：若两块超导体之间点接触，或通过正常导电膜或绝缘膜接触，形成弱连接，或不夹东西（如真空），则超导体中的“库柏对”可以隧道效应穿过。把这种中间夹有非超导物质的超导体和绝缘物质的结合体叫作“超导隧道结”或称为“约瑟夫逊结”。 ③外光电效应与内光电效应：
外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子，发射出来的电子叫做光电子。
内光电效应是指光照射到半导体或绝缘体的表面时，使物体内部的受束缚电子受到激发，从而使物体的导电性能该变。这就称为内光电效应。显然照射的辐射通量愈大，则被激发的电子书愈多，该物体的电阻值就变的愈小。
④电光Pockels效应与Kerr 效应
波克尔(Pockels)效应：对于没有对称中心的晶体，如水晶、钛酸钡等，折射率的变化同电场强度有直线关系，即Δn＝n－n0＝aE，当压电晶体受光照射并在与入射光垂直的方向上加上高电压时，晶体将呈现双折射现象，这种现象称波克尔(Pockels)效应。
克尔(Kerr)效应：当所用材料不是压电晶体，而是各向同性物质(有时是液体)时，在与入射光垂直的方向上加高电压，各向同性体便呈现出双折射特性，一束入射光变成两束出射光，折射率的变化同电场平方有直线关系，即Δn＝n－n0＝bE2，这种现象称为克尔(Kerr)效应。 ⑤磁光法拉第效应与磁光克尔效应
1. 磁光法拉第效应
法拉第磁光效应是指：一束线偏振光在磁场作用下通过磁光材料时，它的偏振面将发生旋转，旋转角θ正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分
2. 磁光克尔效应
照射到强磁性介质表面上的直线偏振光在反射时，其偏振面偏转角度随磁场强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应。