1、2.2 材料的热电性能材料的热电性能 材料的两端存在材料的两端存在l 电位差电位差产生电流，l 温度差温度差产生热流。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，这就构成了差，电流，热流之间存在交叉联系，这就构成了热电效应。热电效应。一一 帕耳帖效应帕耳帖效应 二二 汤姆逊效应汤姆逊效应三三 塞贝克效应塞贝克效应一一 帕耳帖效应帕耳帖效应将铜、铋两根金属丝的端点互相连接（将铜、铋两根金属丝的端点互相连接（A,BA,B处）成为一闭合回处）成为
2、一闭合回路。将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后发路。将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后发现现A A接头变冷，吸热效应；接头变冷，吸热效应；B B接头变热接头变热，发生了放热效应，发生了放热效应，这个现象称为帕尔帖效应这个现象称为帕尔帖效应1 定义：定义：2 分析原因：分析原因：不同的金属，电子状态不同，不同的金属，电子状态不同，铜铋接触时，电子从铜铋接触时，电子从1212，1 1中电子减少，中电子减少，2 2中电子增多。中电子增多。1 1电位为正，电位为正，2 2电位为负。电位为负。这样不同金属的接触面处产生的电势称这样不同金属的接触面处产生的电势称接触电势差（接触电势
3、差（V V12）+1e 2V12A处：处：通电后通电后，外加电场使电子移动形成电子电流，外加电场使电子移动形成电子电流,接触电势差接触电势差V V1212将阻碍电子的运动，电子动能减小，减速的电子与金属离子将阻碍电子的运动，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，金属碰撞，从金属原子那里获得能量，金属 离子离子能能量减小，从量减小，从而使该处而使该处温度降低，变冷，须从外界吸热温度降低，变冷，须从外界吸热。eeV12V12B处：处：通电后通电后，接触电势差，接触电势差V12V12将加速电子的运动，电子动能增加，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
4、获得的动能交给金属原子，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，从而金属离子能量增加，从而B B处处温度增加，变热，须放热温度增加，变热，须放热。eeV12V12帕尔帖效应的应用帕尔帖效应的应用制冷制冷 热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势。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，制冷材料组成回路，其热电势小，热电效应很弱，制冷效果不明显效果不明显(制冷效率不到制冷效率不到1%)1%)。半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来半导
5、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。做成小型热电制冷器。图示出图示出N N型半导体和型半导体和P P型半导体构成的热电偶制冷元件。用型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将铜板和铜导线将N N型半导体和型半导体和P P型半导体连接成一个回路，铜型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。板和铜导线只起导电的作用。回路中接通电流时，一个接点变热，一个接点变冷回路中接通电流时，一个接点变热，一个接点变冷。如。如果改变电流方向，则两个接点处的冷热作用互易，即：原来果改变电流方向，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。的热接
6、点变成冷接点，原来的冷接点变成热接点。热电制冷元件热电制冷元件 热电制冷器热电制冷器它不需要一定的工质循环来实现能量转换，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，由于价格又很高，而且，由于必须使用直流电源必须使用直流电源，变压和整，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。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，活性强，简
7、单方便，使用可靠，冷热切换容易，非常适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。冷却的部位提供冷源等。二二 汤姆逊效应汤姆逊效应当金属导线两端，温度不同，通过电流，发现，若电流方向与当金属导线两端，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。这就是热端方向一致时产生放热，反之吸热。这就是汤姆逊效应汤姆逊效应。1 定义：定义：IT1T2+T1 T2金属两端存在温差：金属两端存在温差：T T1
8、1 高高 温温 T T2 2 低低 温温高温电子动能大，低温电子动能小，高温电子动能大，低温电子动能小，电子将从电子将从T T1 1 T T2 2，并在并在T T2 2处堆处堆积从而在金属到体内出现电势差，积从而在金属到体内出现电势差，称为温差电势差称为温差电势差 V(TV(T1 1,T,T2 2）扩扩 散散2 分析原因：分析原因：V(T1,T2)T1T2+V(T1,T2)T1T2I+外加电流与外加电流与V(TV(T1 1,T,T2 2)同向同向电子从电子从T T2 2 T T1 1被被V(TV(T1 1,T,T2 2)加速加速在与金属离子碰撞中传给金属离在与金属离子碰撞中传给金属离子能量，使
9、整个金属能量升高，子能量，使整个金属能量升高，放出热量。放出热量。V(T1,T2)T1T2I+外加电流与外加电流与V(TV(T1 1,T,T2 2)反向反向电子从电子从T T1 1 T T2 2被被V(TV(T1 1,T,T2 2)减速减速在与金属离子碰撞中获得来自金在与金属离子碰撞中获得来自金属离子的能量，使整个金属能量属离子的能量，使整个金属能量降低，吸收热量。降低，吸收热量。三三 塞贝克效应塞贝克效应把两种不同的金属导体把两种不同的金属导体1，2组成闭合回路，两接点分别置组成闭合回路，两接点分别置于于T1和和T2（设（设T1T2）两不同温度时，则在回路中就会产）两不同温度时，则在回路中就
10、会产生热电势，形成回路电流。这种现象称生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝克效应。塞贝克效应。1 定义：定义：帕尔帖效应帕尔帖效应两金属接触产生接触电势差两金属接触产生接触电势差 2 分析原因：分析原因：),(),()()(),(2122112121122112TTVTTVTVTVTT热电势：热电势：热电势与温差有关，一般表达式热电势与温差有关，一般表达式 221212112)(21)(),(TTTTaTT不同材料具有不同的不同材料具有不同的同种材料温差变化，热电势变化同种材料温差变化，热电势变化塞贝克效应的应用塞贝克效应的应用用于温度测量的热电偶用于温度测量的热电偶常用热电偶材料常用热电偶
11、材料 材料材料测温范围测温范围特点特点应用应用铂铹铂铹10纯铂纯铂0 1000 准确性高，成本高准确性高，成本高精密测温、标准精密测温、标准铱铹铱铹10纯铱纯铱0 2100 科学研究科学研究铱铹铱铹40铂铹铂铹400 1900 氧化、中性气体氧化、中性气体镍铁镍铁镍铜镍铜50 500 50 无电势无电势火灾报警火灾报警镍铬镍铬康铜康铜-200 900 各种场合各种场合镍铬镍铬镍硅镍硅-50 1300 电势大，线性好电势大，线性好各种场合、常用各种场合、常用铜铜康铜康铜-200 400 各种场合各种场合镍铬镍铬金铁金铁-270 10 低温低温铜铜金铁金铁-270 -250 灵敏度高灵敏度高低温低温
