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热电效应

2018-08-22 10:12:20     所属分类:能量采集

热电效应英语:Thermoelectric effect)是一个由温差产生电压的直接转换,且反之亦然。简单的放置一个热电装置,当他们的两端有温差时会产生一个电压,而当一个电压施加于其上,他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度,冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压,热电装置让温度控制变得非常容易。

一般来说,热电效应这个术语包含了三个分别经定义过的效应,赛贝克效应(Seebeck effect,由Thomas Johann Seebeck发现 。)、帕尔帖效应(Peltier effect,由Jean-Charles Peltier发现。),与汤姆森效应(Thomson effect,由威廉·汤姆孙发现)。在很多教科书上,热电效应也被称为帕尔帖-塞贝克效应(Peltier–Seebeck effect)。它同时由法国物理学家让·查尔斯·佩尔蒂(Jean Charles Athanase Peltier)与爱沙尼亚裔德国物理学家 托马斯·约翰·塞贝克英语Thomas Johann Seebeck(Thomas Johann Seebeck)分别独立发现。 还有一个术语叫焦耳加热,也就是说当一个电压通过一个阻抗物质上,即会产生热,它是多少有关系的,尽管它不是一个普通的热电效应术语(由于热电装置的非理想性,它通常被视为一个产生损耗的机制)。帕尔帖-塞贝克效应与汤姆孙效应是可逆的,但是焦耳加热不可逆。

目录

  • 1 塞贝克效应
  • 2 帕尔帖效应
  • 3 汤姆森效应
  • 4 参见
  • 5 参考文献

塞贝克效应

德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克英语Thomas Johann Seebeck于1821年发现,将二种不同金属各自的二端分别连接构成的回路,如果两种金属的两个结点处温度不同,就会在这样的线路内发生电流。[1]这种现象称为赛贝克效应(Seebeck Effect)。

塞贝克发现,当两种不同金属组成闭合回路且两结点处温度不同时,指南针的指针会发生偏转。于是他认为温差使金属产生了磁场。但是当时塞贝克并没有发现金属回路中的电流,所以他把这个现象叫做“热磁效应”。后来,丹麦物理学家汉斯·奥斯特重新研究了这个现象并称之为“热电效应”。

不同的金属导体(或半导体)具有不同的自由电子密度,当两种不同的金属导体相互接触时,在接触面上的电子就会扩散以消除电子密度的差异,在两块金属的另两个端点形成稳定的电压,电子的扩散速率与接触区的温度成正比。由此产生的电压通常每开尔文温差只有几微伏。 而不同温度的相同金属(或半导体)也具有不同的自由电子密度,所以只要维持金属两端的温差,也能使电子持续扩散,在金属的两个端点形成稳定的电压。

不同的金属与半导体具有不同的塞贝克系数英语Seebeck coefficient(所产生赛贝克效应大小不同),半导体与金属的主因略有不同。半导体在不同的温度下具有不同的载流子密度,当单一半导体两端具有温度差时,载子会扩散以消除密度的差异,因而造成电动势。两端的温度相差越大,则产生的赛贝克电位差越大。而金属的自由电子密度与费米能级几乎不会随温度改变,因此金属的赛贝克效应远小于半导体。金属的赛贝克效应由电子的平均自由程来决定。若平均自由程随温度上升,则热端的自由电子有较高的机会向冷端移动,此时的塞贝克系数为负值。反过来说,若电子的平均自由程随温度上升而下降,则冷端的自由电子有较高的机会流向热端,塞贝克系数为正值。

在以下电路中,若电压计两端的温度同为Tr

Seebeck effect circuit 2.svg

由塞贝克效应产生的电压可以表示成:

SASB是金属A和B的塞贝克系数英语Seebeck coefficientT1T2是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。如果塞贝克系数在实验的温度范围内接近常数,以上方程可以近似成:

将两种不同的金属连接,并在两接点给予温度差,两种金属会分别产生各自的温差电动势。选用适当的二种不同金属制成热电偶,利用赛贝克效应可以直接测量温差,或者将金属的一端设定到已知温度来测另一端的温度。当几个温差电偶连接在一起时叫做热电堆,用来制造更大的电压。塞贝克效应还可以用来鉴定合金的成分:将未知金属和已知金属连接,并保持温度不变,根据测得的电压可以算出未知金属的塞贝克系数,从而判断它的材料。若使用相同的金属形成回路,则会因为温差造成的电动势互相抵销而无法观察到赛贝克效应。

帕尔帖效应

传统上有时称帕尔贴效应是塞贝克效应,但此说法并不严谨。

与塞贝克效应不同,帕尔贴效应可以产生在两种不同金属的交界面,或者一种多相材料的不同相界间,也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内。

当对上述三种材料嵌入回路中并施加电流时,金属1会对金属2或相1对相2,或浓度点C1与C2间)产生放热或吸热反应。[2]

帕尔帖效应即为塞贝克效应的反效应,即当在两种金属回路中加入电源产生电势后,不同的金属接触点会有一个温差。

汤姆森效应

当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆森热)。汤姆森效应英语:Thomson effect)是英国物理学家威廉·汤姆森于1854年发现的:将一根导线通恒定电流,由于导线有电阻而发热。再将这根带电的导线的某小局部加热;使它产生温度梯度。这根导线就在原有发热的基础上,出现吸热或放热的现象。[3]或者反过来,当一根金属棒的两端温度不同时,金属棒两端会形成电势差。

一个金属(或半导体)材料的帕尔帖系数并不是一个定值,也会随着温度而改变。在一个具有温度梯度的导体中,每个位置都可以视为是具有不同帕尔帖系数的材料。当电流通过时,不同的位置会各自产生帕尔帖效应,造成局部的吸热或放热。由于金属的热导率较高,这些局部的吸收或放出的热能会分散至整个导体,因而造成导体整体的吸热或放热。吸热或放热要由恒定电流的方向和导线热梯度的方向而决定。这种现象称为汤姆森效应,汤姆森效应并不会在均匀温度的通电流导体中出现。

参见

  • 传热
  • 焦耳定律
  • 热电堆
  • 热电偶

参考文献

  1. ^ A.11 Thermoelectric effect" Eng.FSU.edu.2002-02-01.
  2. ^ Daniel D.Pollock. A-2 Thermoelectric phenomena. CRC Handbook of Thermoelectrics. 1995 by CRC Press LLC
  3. ^ A.11 Thermoelectric effect" Eng.fsu.edu.2002-02-01.

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