10.1.1 热电效应(一)
热电效应基本原理
P型热电材料： 当电子由金属导体（如铜）进入P型半导体热侧时，电子会对空穴进 行填充同时降至较低能级，从而向外界释放热量。 当电子离开P型半导体冷侧进入金属导体时，电子被提升至较高能级 同时从外界吸收热量。
24
二、热电效应应用举例
热电制冷（Peltier Effect）
• 最有效的制冷结构是同时采用P 型和N型热电组件，如右图所示。 两种组件在电学上是串联形式， 但在热学上是并联形式。 • 器件一侧接触热源，另一侧接 触散热器，从而形成与周围环境 的热量对流。 • 面向热源的一侧称为冷侧，而 面向散热器的一侧称为热侧。
相同数目的电子
发生电子扩散的动态热平衡
电子的流动传递电荷和热量
10
一、热电效应基本原理
热电效应的物理学解释： Seebeck Effect（半导体）： • 热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热 端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开 路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电 荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散 作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半 导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差 电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指 向高温端（Seebeck系数为正），相反，n型半导体的温差电 动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为负），因此 利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。 • 半导体的Seebeck效应较显著。一般，半导体的Seebeck系数 为数百mV/K，这要比金属的高得多。
11
一、热电效应基本原理
热电效应的物理学解释： Seebeck Effect（半导体）：
S= -
热电效应的实验和理论研究
热电效应的实验和理论研究热电效应是指一种物理现象，即在某些材料中，当温度不均匀时，会产生电场。
这种现象被广泛应用于生成电力、热敏电阻器、热电制冷等领域。
本文将着重讨论热电效应的实验和理论研究。
一、实验方法热电效应的实验需要使用热电偶。
热电偶由两种不同的金属线组成，一端和另一端在不同温度下，产生电动势。
当温度差不大时，电动势与温度差成正比，这就是热电效应。
实验过程通常需要使用电池、电压表、电流表和热电偶。
首先，将热电偶的两端连接到电流表中，并在电费上连接一个开关。
然后，使用电池供电，将电流通过热电偶，并读取电流表的读数。
此时，需要改变热电偶的温度，例如放在热水中加热或加入冰块冷却。
在改变温度的同时，读取电流表的读数，以确定温度变化与电动势之间的关系。
二、理论研究对于理论研究，热电效应可以通过热力学理论来理解和解释。
根据热力学第一定律，能量守恒，在一个封闭系统中，能量的增加等于外部对系统的功加上内部能量的增加。
当一个体系受到加热时，能量增加，因为加热本身就是一种能量传递的过程。
此外，热电效应也可以通过量子力学的视角来理解。
全部的电子都有自旋和动量。
在某些材料中，这些电子可以被定位在一个位置，使它们的电子自旋在一端不同。
当这些电子遇到温度变化时，自旋会产生一个磁场，这个磁场又会影响电的流动和热的传递，从而形成热电效应。
三、未来研究随着科学技术的不断改进和发展，热电效应在实际应用中的潜力也越来越受到瞩目。
目前，很多研究都集中在如何提高热电转化效率，以及如何制造更可靠和高效的热电材料上。
一种非常有前途的热电材料是拓扑绝缘体，它的电子结构与常规材料不同，能够在材料表面上支持特殊的电子态，这个电子态可以避免电子散失并增加热电转换效率。
另外一些研究则关注使用非晶材料，如非晶硅，来制造热电材料，因为非晶材料的热电转化效率变化较小。
总之，热电效应具有很大的发展潜力，它已经被广泛应用于各种领域，如电力生产、能源储备、制冷等等。
10.1.1 热电效应(一)
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
E AB
=
K e
(T
− T0 ) ln
NA NB
(T ,T0 )
结论：
1. 热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度 如何，总热电势为零；
2. 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同， 回路总电势为零；
3. 热电偶两端的热电动势与材料的中间温度无关。
EAB (T ,T0 ) = eAB (T ) − eAB (T0 ) − eA (T ,T0 ) + eB (T ,T0 )
19
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可以 忽略不计，则热电偶的热电势为：
EAB (T ,T0 ) = eAB (T ) − eAB (T0 )
15
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
在闭合回路中，总的接触电势为：
E AB
=
K e
(T
− T0 ) ln
NA NB
(T ,T0 )
=
K e
(T
− T0 )ln
NA NB
16
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
2 单一导体的温差电势（汤姆逊电势）
对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有
这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道 一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。
11
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
固定温度的接点称基准点 （冷端）T0，恒定在某一标 准温度；
待测温度的接点称测温点 （热端）T，置于被测温度 场中。
热电效应的工作原理
热电效应的工作原理热电效应是指当两个不同材料的接触点形成温度差时，产生电流的现象。
这一现象被广泛应用于能量转换和测温领域。
热电效应的工作原理可分为两个方面：热效应和电效应。
一、热效应热效应是指由于温度差导致的电压产生。
具体而言，当两个不同材料的接触点温度不同时，存在温度梯度，即温度的不均匀分布。
而这种不均匀分布将引起载流子（电子或空穴）的扩散运动。
在导体中，载流子的扩散是存在的。
当两个不同温度的导体接触时，温度较高的导体中的载流子将向温度较低的导体扩散。
这是由于载流子的热运动以及两个导体之间的电磁作用力。
这种扩散运动也称为热扩散。
由于载流子扩散运动，两个导体之间将形成一个电势差。
这是因为载流子的扩散将导致两个导体之间的电荷不再平衡，从而形成一个电场。
在接触点处，这个电场将推动载流子在导体中移动。
根据电场力的作用，载流子将发生排斥或集聚的现象，导致电荷分布不均匀。
这种不均匀分布将形成一个电压差，即热电动势。
热电动势的大小与载流子的种类、温度差以及材料特性有关。
二、电效应电效应是指由于电场存在导致的温度变化。
当通过两个接触点之间的导体施加电压时，将在导体中形成电场。
这个电场将影响载流子的热运动。
在电场中，载流子的移动会受到电磁作用力的影响。
特别是在电场强度较高的区域，载流子将受到更大的力，导致其热运动速度增加。
这将导致这一区域的温度升高。
相反，当电场强度较低时，在导体中的载流子将受到较小的力，其热运动速度减慢，温度降低。
这种由电场引起的温度变化被称为Peltier效应。
Peltier效应的大小与电场强度、载流子的种类以及导体物质有关。
三、热电效应的应用热电效应的工作原理为其在实际应用中提供了重要的基础。
以下是一些热电效应的常见应用：1. 热电制冷：通过利用热电效应，将电能转化为冷量。
这种制冷方式通常应用于小型电子设备、温控系统以及微型制冷设备等。
2. 热电发电：通过利用热电效应，将热能转化为电能。
这种发电方式可应用于无源电源设备、太阳能电池板以及核电装置等。
热电效应原理
热电效应原理热电效应是指在两个不同材料的接触点上，由于温度差异而产生的电势差。
这一现象是热电效应原理在工业和科学领域得到广泛应用的基础。
本文将介绍热电效应的原理及其应用。
一、热电效应的原理1. 热电效应的产生原因热电效应产生的原因在于不同材料的电子能级结构的差异。
当两个材料的接触点存在温度差异时，其中一个材料的电子能级结构将发生变化，从而导致电子在两个材料之间形成电势差。
2. 热电效应的分类根据热电效应的性质，可以将其分为三种类型：Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。
Seebeck效应是指在两个不同材料的接触点上，温度差异引起的电势差。
Peltier效应是指通过在热电材料上通电时产生的冷热效应。
Thomson效应是指在电流通过热电材料时，由于材料内部存在温度梯度而产生的热电效应。
3. 热电效应的数学描述热电效应可以通过热电系数来描述。
热电系数是指单位温度差对应的电势差的比值。
不同材料的热电系数不同，所以热电效应的大小与所使用的材料密切相关。
二、热电效应的应用1. 热电发电热电发电是利用热电效应将热能转化为电能的过程。
通过将热电材料制作成热电对，利用热电效应中的Seebeck效应，可以将热能直接转化为电能。
这一技术在无线传感器、太阳能电池、汽车座椅加热器等领域得到了广泛应用。
2. 温度测量由于热电效应与温度密切相关，因此可以利用热电效应进行温度测量。
通过将热电材料制成温度传感器，利用其产生的电势差来测量物体的温度。
这一技术在温度控制系统、热处理过程监控等领域有着重要的应用。
3. 温度调节除了用于温度测量，热电效应还可以应用于温度调节。
通过利用Peltier效应，可以将电能转化为冷热效应，实现对温度的控制。
这一技术在电子设备散热、温度恒定控制等方面有着广泛的应用。
4. 热电制冷在一些特定的应用中，需要利用热电效应进行制冷。
通过充分利用Peltier效应，使热电材料产生冷热效应，可以实现低温环境的制造。
简述热电效应现象
简述热电效应现象热电效应现象是指当两种不同材料的接触点处存在温度差时，会产生电势差的现象。
这种现象是由于材料中自由电子在温度梯度下发生扩散而引起的。
一、热电效应的基本原理热电效应是由于材料中自由电子在温度梯度下发生扩散而引起的。
当两种不同材料的接触点处存在温度差时，会产生电势差。
这个电势差就称为热电势。
根据热力学第二定律，热流从高温区向低温区流动，因此在两种不同材料的接触点处，热流从高温区流向低温区。
这样就形成了一个闭合回路，使得自由电子在两种材料之间移动，并且在回路中产生了一个环路电流。
二、常见的热电效应1. Seebeck效应Seebeck效应又称为反常霍尔效应，是最早被发现和研究的一种热电效应。
它是指当两个不同金属或半导体连接成回路后，在它们之间加上一定的温度梯度，就会产生电势差。
这个电势差称为Seebeck电势。
2. Peltier效应Peltier效应是指当两个不同材料的接触点处存在电流时，会产生热量的现象。
这种现象是由于电子在两种材料之间移动时，吸收或释放热量而引起的。
3. Thomson效应Thomson效应是指当一个导体中存在温度梯度时，会产生热流和电流的现象。
这种现象是由于自由电子在温度梯度下发生扩散而引起的。
三、热电材料的应用1. 温差发电温差发电是利用Seebeck效应将温差转化为电能的技术。
它可以将废热转化为有用的能源，并且可以用于太阳能和地热能的开发。
2. 温控器温控器是利用Peltier效应来控制温度的装置。
它可以将低温区域中吸收的热量传递到高温区域，从而实现冷却或加热。
3. 红外线传感器红外线传感器是利用Thomson效应来测量物体表面温度的装置。
它可以将物体表面的温度转化为电信号，从而实现对物体表面温度的测量。
四、热电效应的发展与前景随着能源危机和环境污染问题的日益严重，热电材料及其应用已成为当前能源和环保领域中备受关注的研究方向之一。
未来，热电材料将在节能减排、新能源开发、智能传感等领域得到广泛应用，并将成为人类社会可持续发展的重要支撑。
热电效应基本原理
热电极B
右端称为： 自由端 （参考端、 冷端）
A
B 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
17
二、热电效应应用举例
热电偶（Seebeck Effect）
•
•
接触电动势：若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同 一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A 对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处 便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。 对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：
热电偶（Seebeck Effect）
•
回路总电动势：
eA(T,T0)
A
eAB(T) T B
T0 eB(T,T0)
eAB(T0)
E AB T , T0 eAB T －eAB T0 eB T , T0 －eA T , T0
20
T kT N AT kT0 N AT 0 ln － ln Ｂ－Ａ dT T0 e N BT e N BT 0
25Biblioteka 6一、热电效应基本原理
Thomson Effect（1855） —— 热电第三效应
7
英国科学家 William Thomson (Lord Kelvin) （1824-1907）
当单一导体或半导体在两端有温差以及 有电流通过时，会在此导体或半导体上 产生吸热或放热的现象
一、热电效应基本原理
Thomson Effect（1855） —— 热电第三效应
15
二、热电效应应用举例
热探针（Seebeck Effect）
热探针图解
热探针能带图
N型半导体：显示电流为正
16
热电效应的重点知识点总结
热电效应的重点知识点总结热电效应主要包括塞贝克效应、普尔贝林效应和特耳尔效应，这三种效应都是在金属导体中产生的。
其中，塞贝克效应是指当两端温度不同的金属导体中通过电流时，产生的电动势。
普尔贝林效应是指当一根导线的两端温度不同时，导线内部会产生电动势；特耳尔效应是指当两种金属导体组成的回路的两端温度不同时，回路内部会产生电动势，并且产生热电效应的金属导体通常是由两种不同材料构成的。
热电效应的重要应用包括热电偶、热电冷却器、热电发电机等，这些应用主要是利用热电效应将热能转换为电能的原理。
其中，热电偶是利用热电效应制成的一种温度传感器，它可以测量温度变化并将其转化为电信号。
热电冷却器则是利用热电效应将热能从一个端口转移到另一个端口，实现制冷的作用。
热电发电机则是利用热电效应将热能转换为电能，实现热能发电的作用。
热电效应还有一些其他重要的特点和知识点，以下将对其进行总结：1. 热电效应的基本原理热电效应的基本原理是当两种不同温度的金属导体连接形成一个闭合电路时，导体内部会出现温差，从而导致电子的热运动产生不平衡，从而产生一个电动势。
这个电动势的大小与温差的大小成正比，且与导体种类和温差方向相关。
这个原理被称为塞贝克效应，它是热电效应的基础。
2. 热电系数热电系数是一个衡量热电效应的重要参数，它表示了单位温度差导致的单位电动势的大小。
对于一个材料来说，它的热电系数可以通过塞贝克系数来表示，通常用符号S来表示。
不同材料的热电系数是不同的，所以在实际应用中需要根据具体材料的热电系数来设计相应的热电装置。
3. 热电偶的工作原理热电偶是一种常用的温度传感器，它是利用两种不同材料的热电效应产生的电动势来测量温度的。
热电偶的工作原理是基于两种不同材料的热电系数不同导致的电动势差异，通常是将两种材料的导线连接起来形成一个闭合电路，当导线两端温度不同时就会产生一个电动势，通过测量这个电动势可以得到导线两端的温度差。
4. 热电发电热电发电是利用热电效应将热能转换为电能的过程，它可以利用储存在材料中的热能进行能量转换。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
15
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
在闭合回路中，总的接触电势为：
E AB
=
K e
(T
− T0 ) ln
NA NB
(T ,T0 )
=
K e
(T
− T0 )ln
NA NB
16
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
2 单一导体的温差电势（汤姆逊电势）
对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有
两个冷热程度不同的物体接 触，会产生热交换；
两个温度不能相加，只能进 行相等或不相等的描述。
4
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
概述
温度测量通常是利用一些材料和元件的性能 随温度而变化的特性；
用以测量温度的特性包括
热电动势 电阻 热膨胀 导磁率 介电系数
12
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体 的温差电势组成；
热电动势的大小和两种导体的材料的性质以及 结点的温度有关。
13
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
1 两种导体的接触电势 不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一
起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度 小的金属扩散。 浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负 电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触 电势。
20
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
E AB
=
K e
(T
− T0 ) ln
NA NB
(T ,T0 )
结论：
1. 热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度 如何，总热电势为零；
2. 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同， 回路总电势为零；
3. 热电偶两端的热电动势与材料的中间温度无关。
EAB (T ,T0 ) = eAB (T ) − eAB (T0 ) − eA (T ,T0 ) + eB (T ,T0 )
19
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可以 忽略不计，则热电偶的热电势为：
EAB (T ,T0 ) = eAB (T ) − eAB (T0 )
热电偶：利用金属温差电动势，有耐高温、精 度高的特点；
热电阻：利用导体随温度变化，测温不高； 热敏电阻：利用半导体材料随温度变化测温，
体积小、灵敏度高、稳定性差； 集成温度传感器：利用晶体管PN结电流、电压
随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应 快、价廉，测量150℃以下温度。
7
10.1 热电偶
这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道 一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。
11
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
固定温度的接点称基准点 （冷端）T0，恒定在某一标 准温度；
待测温度的接点称测温点 （热端）T，置于被测温度 场中。
这种将温度转换成热电动 势的传感器称为热电偶， 金属称热电极。
传感器原理及应用
第10章 热电式传感器
1
主要内容
热电偶 热电阻 热敏电阻 热释电红外模块
2
概述
温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现 代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如 家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这 些家用电器中都少不了温度传感器。
3
概述
温度是表征物体冷热程度的 物理量，反映了物体内部分 子运动平均动能的大小；
8
10.1 热电偶
9
10.1 热电偶
热电偶在众多测温传感器中，已经系列化和标 准化，得到广泛应用，且可以选用标准的显示 仪表和记录仪表来显示和记录。
属于“自发电型”传感器，不需要外加电源 结构简单 测温范围大 测量准确度较高
10
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成 闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时， 回路里会产生热电势，形成电流。
较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电 子带正电，低温端得到电子带负电。
Ｔ＞Ｔ０
＋
－
17
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
温差电势的大小与导体的性质和两端的温 差有关：
Hale Waihona Puke ∫ eA (T ,T0 ) =
T T0
σ
A
dT
σ A ：汤姆逊系数
18
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
回路总的热电势为：
4. 因此，热电偶必须用不同材料做电极；在两端必须有 温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。
21
14
10.1 热电偶 10.1.1 热电效应
温度T时热端接触电势：
、
EAB
(T )
=
KT e
ln
NA NB
冷、 端接触电势：
E AB
(T0 )
=
KT0 e
ln
NA NB
式中： A、B 代表不同材料； T，T0 为两端温度；
K ＿波尔兹曼常数； e ＿电子电荷量；
N A NB 是A、B 材料的电子浓度；
5
概述
温度测量可以分为接触式和非接触式； 接触式感温元件与被测对象直接接触，两
者之间热交换
膨胀式温度计、电阻式温度计、热电偶
非接触式是通过辐射进行热交换，具有较 高的测温上限，热惯性小，便于测量快速 变化的温度；
辐射温度计、亮度温度计等
6
概述
温度传感器按工作原理主要有以下几类