【精品课件】材料的热电性质
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材料的热电性能
材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。
它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应。
塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。
当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫图 1 塞贝克效应示意图做Seebeck效应，此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势。
塞贝克系数可表示为：式中，V表示电动势；T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。
当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。
帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了 Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应。
帕尔贴系数可表示为：P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热； I表示外加电源所提供的电流强度。
汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。
在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。
σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。
从上式可以得出，提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。
为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动，从而降低塞贝克电压。
低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度，m为载流子有效质量。
大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。
m和态密度有关，载流子的有效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。
第三章 热电性能分析
在形成连续固溶体时，热电势与浓度关系呈悬链式变 化，但过渡族元素往往不符合这种规律。 形成化合物时，其热电势会发生突变。具有半导体性 质化合物由于共价结合的加强，热电势显著增加。
四，组织转变
1) 同素异构转变：见Fe-Pt热电偶的热电势
30 20 10 e (μV/K) A2 A3
A4
0
400
800
热电偶材料在USA每年消耗几百吨。
温差电堆：
T1
T2
• 半导体温差发电 特点： 体积小， 轻，简单，安静，可利用多种热源 应用广：心脏起博器，石油井台，航海灯塔， 无人岛屿观测站，航空飞行器等。 高灵敏度测温。足以探测微弱的温差，红外辐 射。 • 逆效应：制冷机
ε12
1. 接触电位差
V12=(V2-V1)+(kT/e)ln(n1/n2), 其中，V1和V2是金属12的 逸出电位(逸出功) 。
测量微小热电势装置的示意图
ΔT
ΔE
恒温槽
热电性分析的应用
一，铝合金的时效 试样：Al88Mg4Zn8;淬火态得到过饱和的固溶体组织。
不同温度时效30分钟。
热电偶：时效态试样G1+该合金经275度完全退火态G2。 50度以下冷时效：Mg和Zn发生偏聚，形成G.P.区。 50~275度温时效：析出Al2Mg2Zn3相，固溶体正常分解。 300度时效：多余的析出相重新回溶，合金元素增多导
塑性形变的影响
加工硬化使热电势值增大；加工硬化的铁与退火态 的铁成偶，前者为负，后者为正。 队固溶体合金进行冷形变，由于形变直接或间接引 起脱溶，析出或马氏体转变时，将导致合金热电势 发生相应变化。
钢的含碳量及热处理的影响
压力的影响:
• 如测量100度温差的铜-康铜热电偶，在压力从零升到 1。2×109Pa的过程中，0~100度范围内热电势的平均 变化率为：3 ×10-10PμV· ˚C-1· Pa-1 • 压力引起原子大小及其间距在电压下发生了变化，提 高了费米面，改变了能带结构，从而影响扩散热电势。 其次，高压改变了声速，声子极化以及电子-声子的 交互作用，从而影响热电势。这些因素只在高压下需 要考虑，一般情况可以忽略。
四，组织转变
1) 同素异构转变：见Fe-Pt热电偶的热电势
30 20 10 e (μV/K) A2 A3
A4
0
400
800
热电偶材料在USA每年消耗几百吨。
温差电堆：
T1
T2
• 半导体温差发电 特点： 体积小， 轻，简单，安静，可利用多种热源 应用广：心脏起博器，石油井台，航海灯塔， 无人岛屿观测站，航空飞行器等。 高灵敏度测温。足以探测微弱的温差，红外辐 射。 • 逆效应：制冷机
ε12
1. 接触电位差
V12=(V2-V1)+(kT/e)ln(n1/n2), 其中，V1和V2是金属12的 逸出电位(逸出功) 。
测量微小热电势装置的示意图
ΔT
ΔE
恒温槽
热电性分析的应用
一，铝合金的时效 试样：Al88Mg4Zn8;淬火态得到过饱和的固溶体组织。
不同温度时效30分钟。
热电偶：时效态试样G1+该合金经275度完全退火态G2。 50度以下冷时效：Mg和Zn发生偏聚，形成G.P.区。 50~275度温时效：析出Al2Mg2Zn3相，固溶体正常分解。 300度时效：多余的析出相重新回溶，合金元素增多导
塑性形变的影响
加工硬化使热电势值增大；加工硬化的铁与退火态 的铁成偶，前者为负，后者为正。 队固溶体合金进行冷形变，由于形变直接或间接引 起脱溶，析出或马氏体转变时，将导致合金热电势 发生相应变化。
钢的含碳量及热处理的影响
压力的影响:
• 如测量100度温差的铜-康铜热电偶，在压力从零升到 1。2×109Pa的过程中，0~100度范围内热电势的平均 变化率为：3 ×10-10PμV· ˚C-1· Pa-1 • 压力引起原子大小及其间距在电压下发生了变化，提 高了费米面，改变了能带结构，从而影响扩散热电势。 其次，高压改变了声速，声子极化以及电子-声子的 交互作用，从而影响热电势。这些因素只在高压下需 要考虑，一般情况可以忽略。
材料科学与技术 讲义 材料的热性质与光性质精品.ppt
..........
4
原子振动时的平均距离： r r0
U (r)
温度越高、振幅越大，原子在平 衡位置两侧受力的不对称越显著，
新平衡位置右移越多、r 越大，
晶体膨胀越大。
原子平均间距 随温度的变化：
3、影响热膨胀因素
T3 T4 T1 T2
0
r0
r
原子振 动能量
温度 T、 平均位置
热膨胀与结构有关： T Tg :
冷却：表面受拉应力、相邻内部受压应力
3、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力
与情况2类似
不是机械力的约束、而是各相 间膨胀、收缩的相互制约引起
..........
13
第四节 材料的光学性质
光在高科技的地位不断提高，电子器件和光 子器件融合、光集成器件是重要的研究方向
..........
11
若棒两端未被夹持： 棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力 若棒两端被刚性固定：
温度： T0 Tf
热应力： El (T0 Tf ) ElT
E : 弹性模量； lT l / l0 应变、线性相对变化量
加热时 Tf T0 :
0 棒受压缩应力作用；
冷却时 Tf T0 :
T1
稳态
x
T2
热流密度：单位时间内通过与热传导方向垂直的 单位面积的热能
通过金属棒的热流密度： q dT
dx
..........
负号：热能从高 温向低温传递
7
q dT
dx
: 热导率，单位：J /(m k s) or W /(m k)
热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大
第三节 材料的热性能
一、材料的热容
材料的热电性能
材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。
它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应。
塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。
当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫做Seebeck效应，此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势。
塞贝克系数可表示为：式中，V表示电动势；T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。
当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。
帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了 Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应。
帕尔贴系数可表示为：P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热； I表示外加电源所提供的电流强度。
汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。
在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。
σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。
从上式可以得出，提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。
为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动，从而降低塞贝克电压。
低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度，m为载流子有效质量。
大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。
m和态密度有关，载流子的有图 1 塞贝克效应示意图效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。
《材料的热电性质》课件
电导率（Electrical Conductivity）是衡量材料导电 性能的参数，表示材料中自由电荷的流动能力。
热导率和电导率对热电材料的性能也有重要影响， 良好的导热和导电性能有助于提高热电转换效率。
ZT值
02
01
03
ZT值（ZT Value）是衡量热电材料综合性能的参数， 由塞贝克系数、电导率和热导率共同决定。
热电效应的应用
热电材料可以用于温差发电、温度传感器、红外探 测器等领域。
热电效应的应用
80%
温差发电
利用塞贝克效应，可以将热能转 换为电能，用于太阳能发电、地 热发电等领域。
100%
温度传感器
利用皮尔兹效应，可以制作高灵 敏度的温度传感器，用于测量温 度、监控工业生产过程等。
80%
红外探测器
利用热电材料可以制作红外探测 器，用于军事侦察、环境监测等 领域。
详细描述
热电效应的微观解释可以从能带结构的角度来理解。当温度 梯度存在时，能带结构发生变化，导致电子和空穴的迁移率 不同，从而产生电动势或热量。此外，热激发引起的电子和 空穴的迁移也是热电效应的重要机制。
03
热电材料的种类与特性
金属类热电材料
总结词
具有较高的热电性能，常用于制造高 效热电转换装置。
皮尔兹系数的值越大，表示材料在热电转换过程中能够吸收或释放的热量越多，制冷或制热效果越明显 。
皮尔兹系数的测量方法是在热电材料两端施加电流，测量由此产生的温差，从而计算出皮尔兹系数。
热导率与电导率
热导率（Thermal Conductivity）是衡量材料导热 性能的参数，表示材料在单位时间内通过单位面积 的热量。
电子冷却
通过将电子器件产生的热量转换为电能并 排放到外界，可以实现电子器件的冷却， 提高其稳定性和寿命。
热导率和电导率对热电材料的性能也有重要影响， 良好的导热和导电性能有助于提高热电转换效率。
ZT值
02
01
03
ZT值（ZT Value）是衡量热电材料综合性能的参数， 由塞贝克系数、电导率和热导率共同决定。
热电效应的应用
热电材料可以用于温差发电、温度传感器、红外探 测器等领域。
热电效应的应用
80%
温差发电
利用塞贝克效应，可以将热能转 换为电能，用于太阳能发电、地 热发电等领域。
100%
温度传感器
利用皮尔兹效应，可以制作高灵 敏度的温度传感器，用于测量温 度、监控工业生产过程等。
80%
红外探测器
利用热电材料可以制作红外探测 器，用于军事侦察、环境监测等 领域。
详细描述
热电效应的微观解释可以从能带结构的角度来理解。当温度 梯度存在时，能带结构发生变化，导致电子和空穴的迁移率 不同，从而产生电动势或热量。此外，热激发引起的电子和 空穴的迁移也是热电效应的重要机制。
03
热电材料的种类与特性
金属类热电材料
总结词
具有较高的热电性能，常用于制造高 效热电转换装置。
皮尔兹系数的值越大，表示材料在热电转换过程中能够吸收或释放的热量越多，制冷或制热效果越明显 。
皮尔兹系数的测量方法是在热电材料两端施加电流，测量由此产生的温差，从而计算出皮尔兹系数。
热导率与电导率
热导率（Thermal Conductivity）是衡量材料导热 性能的参数，表示材料在单位时间内通过单位面积 的热量。
电子冷却
通过将电子器件产生的热量转换为电能并 排放到外界，可以实现电子器件的冷却， 提高其稳定性和寿命。
第6章 材料的热学性质
• 晶格振动是在弹性范围内原子的不断交替聚拢和分离，这 种运动具有波的形式, 称之为晶格波； • 晶格振动的能量是量子化的，与电磁波的光子类似, 点阵波 的能量量子称为声子； • 晶体热振动就是热激发声子； • 根据原子热振动的特点, 从理论上阐明了热容的物理本质, 并建立了热容随温度变化的定量关系, 其发展过程是从经典 热容理论—杜隆-珀替(Dulong-Petit ) 定律经爱因斯坦量子 热容理论到较为完善的德拜量子热容理论, 以及其后对德拜 热容理论的完善发展。
• 对于大多数固体材料：
德拜模型理论与实验比较（圆点为实验值）
16
1.材料热容
德拜量子热容理论结果的讨论：
1. 当温度T >> QD 时，上式近似为CV 3NkB，与经典理论的结 果一致； 2. 在非常低的温度下，只有长波的激发是主要的，对于长波晶 格是可以看作连续介质的。因此德拜理论在温度越低的条件 下，符合越好； 3. 当温度T << QD 时，德拜公式可写为：
变 的石 热英 容向 变 化石 英 转
ab-Βιβλιοθήκη 311.材料热容CuCl2磁性转变对热容的影响 铁加热时热容的影响
二级相变，如磁性转变、部分有序－无序转变、超导转变等， 热容在转变温度附近发生剧烈变化，但为有限值。
32
2.材料热膨胀
2.1热膨胀现象的起源
• 固体材料热膨胀本征上归结于晶体结构中质 点间平均距离随温度升高而增大，其原因是 原子的非简谐振动。 • 相邻质点间的作用力是非线性的。 1. r< r0：合力曲线斜率较大，合力随位移增 大很快； 2. r> r0：斜率较小，合力随位移增大要慢一 些； 温度越高，质点振幅越大，在r0处不对称情况 越显著，平衡位置向右移动越多，引起热膨胀。
• 对于大多数固体材料：
德拜模型理论与实验比较（圆点为实验值）
16
1.材料热容
德拜量子热容理论结果的讨论：
1. 当温度T >> QD 时，上式近似为CV 3NkB，与经典理论的结 果一致； 2. 在非常低的温度下，只有长波的激发是主要的，对于长波晶 格是可以看作连续介质的。因此德拜理论在温度越低的条件 下，符合越好； 3. 当温度T << QD 时，德拜公式可写为：
变 的石 热英 容向 变 化石 英 转
ab-Βιβλιοθήκη 311.材料热容CuCl2磁性转变对热容的影响 铁加热时热容的影响
二级相变，如磁性转变、部分有序－无序转变、超导转变等， 热容在转变温度附近发生剧烈变化，但为有限值。
32
2.材料热膨胀
2.1热膨胀现象的起源
• 固体材料热膨胀本征上归结于晶体结构中质 点间平均距离随温度升高而增大，其原因是 原子的非简谐振动。 • 相邻质点间的作用力是非线性的。 1. r< r0：合力曲线斜率较大，合力随位移增 大很快； 2. r> r0：斜率较小，合力随位移增大要慢一 些； 温度越高，质点振幅越大，在r0处不对称情况 越显著，平衡位置向右移动越多，引起热膨胀。
第七章木材的热电性质ppt课件
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
二 木材的交流电性质 （一）介电常数
介电常数表明木材在交变电场下介质极化和储存 电能能力的一个量。影响木材介电常数的因素有： 含水率、密度、纹理方向、交流电的频率。 （二）利用介电常数测定木材含水率 （三）低频交流电与木材 （四）高频电热在木材工业上的应用 1 木材干燥 2 木材胶合 三 压电效应和热电效应
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
第三节 木材的调湿特性
一 湿度与居住性 二 木材厚度与调湿效果 三 木材量与调湿能力
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
第四节 木材的空间声学性质
一 基本概念 木材的声学性质包括声在木材中的传递，声波的
阻力以及用于建筑物的音响效果。 1 声：一般指的是听觉对空气振动所产生的反应。 2 音调：耳朵对频率的反应。 3 声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向上单位 面积的功率。 4 响度：耳朵对不同声压和强度的反应所产生的感觉。 5 听阈：人耳平均听到的最微弱的声音强度，在 1000H时是W/。
《材料的电学性质》课件
02
导电性
金属导电性
金属中自由电子的运动
金属导体的分类
金属内部的自由电子在电场的作用下 定向移动，形成电流。
根据导电性能的不同，金属导体可分 为良导体和不良导体。
金属导电性的影响因素
金属的纯度、温度、金属的种类等因 素都会影响其导电性。
非金属导电性
非金属中的导电机制
部分非金属材料如石墨、聚合物等，其导电机制与金属不同，主 要依靠电子和空穴的传输。
超导体的特性
低温下稳定
超导体的超导态需要在极低的温度下才能保 持，一般为几十K至几百K。
临界磁场和临界电流
超导体具有一定的临界磁场和临界电流密度 ，超过这些值超导态就会被破坏。
超导材料的应用
高能物理实验
利用超导材料制作超导线圈，用于高能物理实验 中的粒子加速器和磁谱仪。
电力传输和储存
超导材料可用于制作超导电缆和超导磁储能装置 ，实现高效、低损耗的电力传输和储存。
案例分析
通过具体案例，分析了不同材料 的电学性质在实际应用中的表现 ，如导电材料、绝缘材料、介电 材料等。
下章预告
要点一
未来研究方向
介绍了电学性质研究领域的未来发展方向，包括新型材料 的探索、跨学科交叉研究、实验技术的创新等。
要点二
下一章内容
简要介绍了下一章的主题和内容，包括电学性质与材料微 观结构的关系、电学性质与材料性能的关联等。
课程目标
掌握材料的电学性质基本 概念
通过本课程的学习，学生应掌握材料的电学 性质的基本概念，了解电学性质与材料内部 结构的关系。
理解电学性质的应用
了解电学性质在电子、电力、通讯等领域的实际应 用，理解不同材料的电学性质对器件性能的影响。
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➢不同材料具有不同的αβ ➢同种材料温差变化，热电势变化
塞贝克效应的应用——用于温度测量的热电偶
常用热电偶材料
材料
铂铹10 铱铹10 铱铹40 镍铁
纯铂 纯铱 铂铹40 镍铜
镍铬
康铜
镍铬
镍硅
铜
康铜
镍铬
金铁
铜
金铁
测温范围
特点
0 ~ 1000 ℃ 0 ~ 2100 ℃ 0 ~ 1900 ℃ 50 ~ 500 ℃ -200 ~ 900 ℃ -50 ~ 1300 ℃ -200 ~ 400 ℃ -270 ~ 10 ℃
二 汤姆逊效应
1 定义：
当金属导线两端，温度不同，通过电流，发现，若电流方向与 热端方向一致时产生放热，反之吸热。这就是汤姆逊效应。
T1 + + ++ ++
I ++ ++
T2 + +
T1> T2
2 分析原因：
金属两端存在温差：T1 高 温 T2 低 温
高温电子动能大，低温电子动能小， 电子将从T1 扩 散T2， 并在T2处堆 积从而在金属到体内出现电势差，
称为温差电势差 V(T1,T2）
T1
++ ++ ++ ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
温差电势原理图
外加电流与V(T1,T2)同向 电子从T2 T1被V(T1,T2)加速 在与金属离子碰撞中传给金属离 子能量，使整个金属能量升高， 放出热量。
T1
++ ++ ++ I ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
准确性高，成本高
<50 ℃无电势 电势大，线性好
-270 ~ -250 ℃
灵敏度高
应用 精密测温、标准
科学研究 氧化、中性气体
火灾报警 各种场合 各种场合、常用 各种场合
低温
低温
T1
T2
2 V2(T1,T2)
V12(T2)
热电势： 1 ( T 1 , 2 T 2 ) V 1 ( T 1 ) 2 V 1 ( T 2 ) 2 V 1 ( T 1 , T 2 ) V 2 ( T 1 , T 2 )
热电势与温差有关，一般表达式
1(T 2 1 ,T 2 ) a (T 1 T 2 ) 1 2(T 1 T 2 )2
++ ++
1
V12
++ ++
↓e
+&#后，外加电场使电子移动形成电子电流,接触电势差V12 将阻碍电子的运动，电子动能减小，减速的电子与金属离子 碰撞，从金属原子那里获得能量，金属 离子能量减小，从而 使该处温度降低，变冷，须从外界吸热。
e
V12
V12
e
e
V12
V12
e
B处： 通电后，接触电势差V12将加速电子的运动，电子动能增加， 加速的电子与金属离子碰撞，把获得的动能交给金属原子， 金属离子能量增加，从而B处温度增加，变热，须放热。
回路中接通电流时，一个接点变热，一个接点变冷。如果 改变电流方向，则两个接点处的冷热作用互易，即：原来的 热接点变成冷接点，原来的冷接点变成热接点。
• 热电制冷器它不需要一定的工质循环来实现能量转换， 没有任何运动部件。热电制冷的效率低，半导体材料的 价格又很高，而且，由于必须使用直流电源，变压和整 流装置往往不可避免，从而增加了电堆以外的附加体积。 所以热电制冷不宜大规模和大冷量便用。但由于它的灵 活性强，简单方便，使用可靠，冷热切换容易，非常适 宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。例如，为 空间飞行器上的科学仪器、电子仪器、医疗器械中需要 冷却的部位提供冷源等。
1
T1
T2
2
2 分析原因：
V1(T1,T2) 1
V12(T-1)
T1
T2
V12(T2)
2
V2(T1,T2)
帕尔帖效应——两金属接触产生接触电势差
V12(T1)， V12(T2) 汤姆逊效应——存在温差的金属两端产生温差电势差
V1(T1,T2)， V1(T1,T2)
V1(T1,T2) 1
V12(T-1)
2.2 材料的热电性能
材料的两端存在 电位差——产生电流， 温度差——产生热流。
从电子论的观点看，在金属和半导体中，无论是 电流还是热流，都与电子有关。故温度差，电位 差，电流，热流之间存在交叉联系，这就构成了 热电效应。
三个基本热电效应
一 帕耳帖效应 二 汤姆逊效应 三 塞贝克效应
一 帕耳帖效应
1 定义：
将铜、铋两根金属丝的端点互相连接（A,B处）成为一闭合回 路。将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后发 现A接头变冷，吸热效应；B接头变热，发生了放热效应，
这个现象称为帕尔帖效应
2 分析原因：
不同的金属，电子状态不同， 铜铋接触时，电子从1→2， 1中电子减少，2中电子增多。 1电位为正，2电位为负。 这样不同金属的接触面处产生的电势称接触电势差（V12）
外加电流与V(T1,T2)反向 电子从T1 T2被V(T1,T2)减速 在与金属离子碰撞中获得来自金 属离子的能量，使整个金属能量 降低，吸收热量。
T1
++ ++ ++ I ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
三 塞贝克效应
1 定义：
把两种不同的金属导体1，2组成闭合回路，两接点分别置 于T1和T2（设T1＞T2）两不同温度时，则在回路中就会产 生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝克效应。
帕尔帖效应的应用——制冷
热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势。 纯金属材料的导电性好，导热性也好。用两种金属 材料组成回路，其热电势小，热电效应很弱，制冷 效果不明显(制冷效率不到1%)。
半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来 做成小型热电制冷器。
热电制冷元件
图示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用 铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路， 铜板和铜导线只起导电的作用。
塞贝克效应的应用——用于温度测量的热电偶
常用热电偶材料
材料
铂铹10 铱铹10 铱铹40 镍铁
纯铂 纯铱 铂铹40 镍铜
镍铬
康铜
镍铬
镍硅
铜
康铜
镍铬
金铁
铜
金铁
测温范围
特点
0 ~ 1000 ℃ 0 ~ 2100 ℃ 0 ~ 1900 ℃ 50 ~ 500 ℃ -200 ~ 900 ℃ -50 ~ 1300 ℃ -200 ~ 400 ℃ -270 ~ 10 ℃
二 汤姆逊效应
1 定义：
当金属导线两端，温度不同，通过电流，发现，若电流方向与 热端方向一致时产生放热，反之吸热。这就是汤姆逊效应。
T1 + + ++ ++
I ++ ++
T2 + +
T1> T2
2 分析原因：
金属两端存在温差：T1 高 温 T2 低 温
高温电子动能大，低温电子动能小， 电子将从T1 扩 散T2， 并在T2处堆 积从而在金属到体内出现电势差，
称为温差电势差 V(T1,T2）
T1
++ ++ ++ ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
温差电势原理图
外加电流与V(T1,T2)同向 电子从T2 T1被V(T1,T2)加速 在与金属离子碰撞中传给金属离 子能量，使整个金属能量升高， 放出热量。
T1
++ ++ ++ I ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
准确性高，成本高
<50 ℃无电势 电势大，线性好
-270 ~ -250 ℃
灵敏度高
应用 精密测温、标准
科学研究 氧化、中性气体
火灾报警 各种场合 各种场合、常用 各种场合
低温
低温
T1
T2
2 V2(T1,T2)
V12(T2)
热电势： 1 ( T 1 , 2 T 2 ) V 1 ( T 1 ) 2 V 1 ( T 2 ) 2 V 1 ( T 1 , T 2 ) V 2 ( T 1 , T 2 )
热电势与温差有关，一般表达式
1(T 2 1 ,T 2 ) a (T 1 T 2 ) 1 2(T 1 T 2 )2
++ ++
1
V12
++ ++
↓e
+&#后，外加电场使电子移动形成电子电流,接触电势差V12 将阻碍电子的运动，电子动能减小，减速的电子与金属离子 碰撞，从金属原子那里获得能量，金属 离子能量减小，从而 使该处温度降低，变冷，须从外界吸热。
e
V12
V12
e
e
V12
V12
e
B处： 通电后，接触电势差V12将加速电子的运动，电子动能增加， 加速的电子与金属离子碰撞，把获得的动能交给金属原子， 金属离子能量增加，从而B处温度增加，变热，须放热。
回路中接通电流时，一个接点变热，一个接点变冷。如果 改变电流方向，则两个接点处的冷热作用互易，即：原来的 热接点变成冷接点，原来的冷接点变成热接点。
• 热电制冷器它不需要一定的工质循环来实现能量转换， 没有任何运动部件。热电制冷的效率低，半导体材料的 价格又很高，而且，由于必须使用直流电源，变压和整 流装置往往不可避免，从而增加了电堆以外的附加体积。 所以热电制冷不宜大规模和大冷量便用。但由于它的灵 活性强，简单方便，使用可靠，冷热切换容易，非常适 宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。例如，为 空间飞行器上的科学仪器、电子仪器、医疗器械中需要 冷却的部位提供冷源等。
1
T1
T2
2
2 分析原因：
V1(T1,T2) 1
V12(T-1)
T1
T2
V12(T2)
2
V2(T1,T2)
帕尔帖效应——两金属接触产生接触电势差
V12(T1)， V12(T2) 汤姆逊效应——存在温差的金属两端产生温差电势差
V1(T1,T2)， V1(T1,T2)
V1(T1,T2) 1
V12(T-1)
2.2 材料的热电性能
材料的两端存在 电位差——产生电流， 温度差——产生热流。
从电子论的观点看，在金属和半导体中，无论是 电流还是热流，都与电子有关。故温度差，电位 差，电流，热流之间存在交叉联系，这就构成了 热电效应。
三个基本热电效应
一 帕耳帖效应 二 汤姆逊效应 三 塞贝克效应
一 帕耳帖效应
1 定义：
将铜、铋两根金属丝的端点互相连接（A,B处）成为一闭合回 路。将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后发 现A接头变冷，吸热效应；B接头变热，发生了放热效应，
这个现象称为帕尔帖效应
2 分析原因：
不同的金属，电子状态不同， 铜铋接触时，电子从1→2， 1中电子减少，2中电子增多。 1电位为正，2电位为负。 这样不同金属的接触面处产生的电势称接触电势差（V12）
外加电流与V(T1,T2)反向 电子从T1 T2被V(T1,T2)减速 在与金属离子碰撞中获得来自金 属离子的能量，使整个金属能量 降低，吸收热量。
T1
++ ++ ++ I ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
三 塞贝克效应
1 定义：
把两种不同的金属导体1，2组成闭合回路，两接点分别置 于T1和T2（设T1＞T2）两不同温度时，则在回路中就会产 生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝克效应。
帕尔帖效应的应用——制冷
热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势。 纯金属材料的导电性好，导热性也好。用两种金属 材料组成回路，其热电势小，热电效应很弱，制冷 效果不明显(制冷效率不到1%)。
半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来 做成小型热电制冷器。
热电制冷元件
图示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用 铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路， 铜板和铜导线只起导电的作用。