物理效应及其应用—热电效应

汤姆孙效应
• 对汤姆孙效应可做如下解释：如图 5-7所示，当某一金属存在一定温 度梯度（温差）时，由于温度高端 自由电子平均速度大于比温度低温 端，所以由高温端向低温端扩散的 电子比低温端向高温端扩散的电子 要多，这样使高温端和低温端分别 出现正、负净电荷，形成一温差电 动势V(T1,T2)，方向由高温端指 动势V(T1,T2)，方向由高温端指 向低温端。
第五章 热电效应
• 本章讲述热如何产生电动势，从能 本章讲述热如何产生电动势， 量角度看，是热能向电能的转化。 量角度看，是热能向电能的转化。 • 在金属和半导体中存在电位差时产 生电流，存在温差时产生热流。 生电流，存在温差时产生热流。从 电子论的观点来看， 电子论的观点来看，在金属和半导 体中， 体中，无论电流还是热流都与电子 的运动有关系，故电位差、温度差、 的运动有关系，故电位差、温度差、 电流、热流之间会存在交叉联系， 电流、热流之间会存在交叉联系， 这就构成了热电效应。 这就构成了热电效应。
改变电流方向，吸热、 改变电流方向，吸热、放热发生变化
珀尔贴效应的发现： 珀尔贴效应的发现
1853年，Q．伊西留斯发现，在每一接头上热量的 流出率(或流入率)与电流成正比：
dQ = Π12 ∗ I dt
式中II12是珀尔贴系数，即单位电流每秒吸收或放 出的热量。单位是：瓦/安，也就是伏特；它的 正负取决于接头处是吸热还是放热（相对于导 体本身），吸热为正，放热为负。
TH
B B B B
TL
AAA A
珀尔贴效应的应用：
1． 适用场合：珀尔贴效应制冷，温度可达 ． 适用场合：珀尔贴效应制冷，温度可达150℃；优点： ℃ 优点： 对小容量致冷， 它是非常优越的， 对小容量致冷 ， 它是非常优越的 ， 适用于做各种小型 恒温器以及要求无声、 无干扰、 无污染的特殊场合。 恒温器以及要求无声 、 无干扰 、 无污染的特殊场合 。 经常用于宇宙飞行器、 人造卫星、 经常用于宇宙飞行器 、 人造卫星 、 红外线探测器的冷 却装置以及在显微镜或切片机的冷台上用来切割经过 冷却的细胞组织。 冷却的细胞组织。 2． 一个特殊的用途： ． 一个特殊的用途： 快捷、方便、无污染，集加热、 储藏食品 ：快捷、方便、无污染，集加热、冷藏于一 身。 由于本效应的两个接头中， 当一个吸热时， 由于本效应的两个接头中 ， 当一个吸热时 ， 另一 个为放热， 所以食品在食用前作冷藏， 个为放热 ， 所以食品在食用前作冷藏 ， 食用时改变电 流方向用来加热，方便、快捷、无污染。 流方向用来加热，方便、快捷、无污染。
第三节 汤姆孙效应
• 汤姆孙效应是1854年由W.汤姆孙发现的一个 汤姆孙效应是1854年由W. 1854年由W.汤姆孙发现的一个 温差电现象。 温差电现象。电流通过一定温度梯度的金属导 会有一横向热流流进或流出导体， 体，会有一横向热流流进或流出导体，其方向 视电流方向和温度梯度方向而定。 视电流方向和温度梯度方向而定。在原来温度 均匀的导体中不会发生汤姆孙效应。 均匀的导体中不会发生汤姆孙效应。 • 汤姆孙效应在下列意义上是可逆的，即当温度 汤姆孙效应在下列意义上是可逆的， 梯度或电流方向倒转， 梯度或电流方向倒转，导体从一个汤姆孙发生 器变成一个汤姆孙热吸收器， 器变成一个汤姆孙热吸收器，在单位时间内吸 收或放出的热量d t与电流 与电流I 收或放出的热量d Q / d t与电流I和温度梯度 dT/dx成正比 成正比， dT/dx成正比，即： • dQ / dt ＝ µ I dT / dx • 式中µ为汤姆孙系数，它与材料性质有关。 式中µ为汤姆孙系数，它与材料性质有关。
第一节 塞贝克效应
• 1821年德国物理学家塞贝克 （T.J.Seebach)发现，当两种不 同金属导线组成一闭合回路时，若在 两接头处维持一温差，回路中就有电 流和电动势产生，后来称为塞贝克效 应。其中产生的电动势称为温差电动 势或塞贝克电动势，上述回路称为热 电偶或温差电池。
第一节 塞贝克效应
+ + + － － －
第二节 珀尔贴效应
珀尔贴效应的发现 珀尔贴效应的产生机理 珀尔贴效应的应用 珀尔帖效应引发的思考
珀尔贴效应的发现： 珀尔贴效应的发现
1834年，珀尔贴发现当有电流 通过两个 年 不同导体组成的回路时， 不同导体组成的回路时，除了产生不可逆的 焦耳热外， 焦耳热外，在不同的接头处分别出现吸热和 放热现象，如果把电流反向， 放热现象，如果把电流反向，吸热的接头便 会放热，而放热的接头便会吸热， 会放热，而放热的接头便会吸热，这就是珀 尔贴效应。 尔贴效应。
•如图5-1(a)所示，在两种金属的两接头处 如图5 1(a)所示，在两种金属的两接头处 分别保持温度T1、T2，回路中就会产生 分别保持温度T1、T2，回路中就会产生 温差电动势；如图5 1(b)，将金属导线1 温差电动势；如图5-1(b)，将金属导线1 或2从中断开，接入电位差计就可测得这个 电动势E12。它的大小与两接头的温差和 电动势E12。它的大小与两接头的温差和 材料有关。与材料的关系可以用单位温差 产生的塞贝克电动势，即温差电动势率来 描述，它的定义为：α 描述，它的定义为：α＝ d E12 / d T
汤姆孙效应
• 习惯上I与d T / d x方向相同时若吸 习惯上I x方向相同时若吸 为正值。实际上， 热，则µ为正值。实际上，µ极难做 出准确测量。 出准确测量。 • 当发生汤姆孙效应的时候，也有焦耳 热产生，但它们有本质的不同：焦耳 热是不可逆的，不论电流为何方向都 是放热的；其次，焦耳热产生率不与 电流大小成正比，而与电流的平方成 正比。
怎样增加单位时间里的放热量（吸热量）
即增加电流I
dQ = Π∗I dt
增加单位时间里流过 接头的载流子数目n
改变珀尔 贴系数II
增加接触电位差V
V的产生是因两 种金属中载流子
选取接触电位差 比较大的材料 浓度差（逸出功
不同）所引起的
半导体材料
半导体的珀尔贴效应
吸热 n P
放热
由于金属的接触电 位差比较小， 位差比较小，况且高温 到低温的热传导率比较 大，所以采用导热率以 所以采用导热率以 导热率 电阻率低的材料 低的材料—— 及电阻率低的材料 半导体材料。 半导体材料。
注意：由于与珀尔贴效应相关的热传输量很小，以及焦耳 热和汤姆孙效应同时存在，因此，1 +++ ––– A 2 2 B +++ –––
如上图，在两种金属接头处有接触电位差， 如上图，在两种金属接头处有接触电位差，设其电场 方向是由金属1指向金属2 在接头A处电流由金属2 方向是由金属1指向金属2。在接头A处电流由金属2流向金 即电子由金属1流向金属2 接触电位差的电场阻碍 属1，即电子由金属1流向金属2，接触电位差的电场阻碍 电子运动 电子在这里要反抗电场力做功eV 它的动能减 运动， eV， 电子运动，电子在这里要反抗电场力做功eV，它的动能减 减速的电子与金属原子碰撞 从金属原子取得动能， 碰撞， 取得动能 少。减速的电子与金属原子碰撞，从金属原子取得动能， 温度降低， 从而使温度降低 从外界吸收热量；在接头B 从而使温度降低，从外界吸收热量；在接头B处，接触电 位差的电场使电子加速 电子越过时，动能将增加， 加速， 位差的电场使电子加速，电子越过时，动能将增加，被加 速的电子与接头处的原子碰撞 把获得的能量eV交给金属 碰撞， eV交给 速的电子与接头处的原子碰撞，把获得的能量eV交给金属 原子，使该处温度升高而释放热量。 温度升高而释放热量 原子，使该处温度升高而释放热量。
＋ ＋
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珀尔贴效应的应用
珀尔贴效应主要用于 温差致冷
如左图： 如左图：当电流方 向适当， 处于的接头 向适当，B处于的接头 将发热，而处于A的接 将发热，而处于 的接 头将吸热。 头将吸热。把B在一热 在一热 源中固定， 处金属将 源中固定，A处金属将 会被冷却， 会被冷却，即电能不断 地把A的热量转移到热 地把 的热量转移到热 源中。 源中。