温差电效应及其应用

温差电效应及其应用

摘要:

本文首先系统阐述了温差电效应，包括温差电效应现象的发现和基本内容，接着介绍了近年来温差电效应研究的应用，重点介绍温差电效应在温度测量、温差发电和温差电制冷方面的最新应用，最后对温差电效应在一些新科技领域的潜在应用进行了展望。

关键词：

温差电效应；温差发电；温差电制冷。

引言:

温差电效应研究是一门古老而又年轻的学科，它很好的将温度差异和电压的产生两者联系起来，被广泛应用于高温测量、温差发电等领域。构成温差电技术的基础有三个基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。早在1821年，德国科学家塞贝克就发现了温差电的第一个效应，所以，人们称之为塞贝克效应——将两种不同的金属连接，构成一个闭合回路，如果两个接头处存在温差，回路中便产生电流。该效应便成了温差发电的技术基础。1834年法国科学家珀尔帖发现电致冷所依赖的珀尔帖效应，它是塞贝克效应的逆效应——将两种不同的金属连接，构成一个闭合回路，如果回路中存在直流电流，两个接头之间便会产生温差。而第三个效应——汤姆逊效应，是汤姆逊在1856年发现的。

1．温差电效应

将两种不同的金属相连接，并在两接头处保持不同的温度，电路中将存在温度梯度和化学势梯度，因而同时产生热流和粒子流，出现交叉现象。这就是温差电效应【1】。由A、B 两种金属接成的热电偶，在两接点处保持不同的温度 T 和 T+ΔT ，发现，回路中两接点将产生电势差,并且与两接点处的温度差ΔT成正比，即Δζ=εABΔT，其中εAB 是温差电动势系数，它与材料及温度有关。Je表示电流密度【2】。

2．温差电效应的应用

可能现在大家对温差电效应有所了解，然而，在温差电现象发现后一百多年里，却一直未得到实际的应用，原因就是利用金属合金做成的温差电偶的温差电致冷效应很弱，温差电技术真正复兴，可以认为是从20世纪30年代开始，杰出的苏联物理学家——约飞，最早提出了用半导体材料，作为温差电换能的材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为近现代温差电技术的研发与实际应用奠定了理论与技术基础。直到二十世纪五十年代，由于半导体科学技术的发展，科学家发现用半导体材料构成的温差电偶，其温差电效应相当显著。之后，许多科学家在这方面做出了杰出贡献，到六十年代，温差电致冷达到了实用化阶段。

前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家，曾首先在温差发电和温差电致冷方面进行了最广泛的研究。现在，他们的科研成果正逐渐从航天、军事领域向市场需求方面转化。美国也是温差电技术的强国之一，而且美国研究温差电的技术领域得到美国政府，尤其是军方的支持。从六七十年代开始，我国的科研人员才对温差电技术展开了较广泛的研究，这使我国目前已成为世界上温差电产品生产量最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。

半导体材料的研发与应用，极大地推动了温差电技术的发展。目前，温差电已形成了一个新的行业，新产品不断出现，整个行业处在上升阶段，发展前景十分广阔。随着技术的发展，也随着氟里昂等具有温室效应的制冷剂在全球禁用，温差电致冷技术显得越来越显得重要，市场会越来越大【3】。

2．1 温度测量

温度测量方面的典型代表是温差电偶温度计。温差电偶温度计是一种工业上广泛应用的测温仪器。它的制成，就是利用了温差电现象。两种不同的金属丝焊接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测

定另一处的温度。

通过对温差电偶温度计工作原理的了解，我们可以发现温差电偶温度计的优点：（1）测量范围广：可以从4.2K(－268.95℃)的深低温（绝对零度0K，即-273.15℃）直至2800℃的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(～2000℃)。而且，材料不同，测温的范围也有不同。例如，铜和康铜构成的温差电偶的测温范围在200～400℃之间；铁和康铜则被使用在200～1000℃之间；由铂和铂铑合金（铑10%）构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上；铱和铱铑（铑50%）可用在2300℃；若用钨和钼（钼25%）则可高达2600℃。

（2）测量精度高：热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，从而减少了无关量的影响，提高测量精度。

（3）受热面积和热容量可做得很小，实现小范围高精度测温，如研究金相变化、小生物体温变化，而水银温度计则难于可比。

（4）构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

（5）由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统，从而提升了工作中人机关系的安全性和舒适性。例如，在金属冶炼熔炉，核电站反应堆等有高温的特殊场合，应用热电偶温度计，可以实现远距离测温，进而采取下一步措施。2．2温差电制冷及其应用

温差电制冷是利用珀耳帖效应用电能来传递热量。因为温差电致冷用的材料通常为半导体材料，因此，温差电致冷又常被称为半导体致冷或电子致冷。温差电致冷产品的核心是温差电致冷组件。目前，致冷组件的外表面一般为绝缘且导热良好的氧化铝陶瓷。

半导体温差电制冷器是由N 型半导体和P 型半导体构成的温差电偶，用铜片把两个半导体连接起来。

宏观上，电流I 由N 型半导体流向P 型半导体时，该接头吸收珀耳帖热；在另一接头，电流由P 型半导体流向N 型半导体，有热量释放出来。

微观上，外电场使P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子都向热面运动，并在接头附近发生复合，空穴、电子对复合前的势能和动能，变成接头处晶格的热振动能量，从而有大量热量释放出来。而在致冷组件的冷面，外电场使空穴和电子都离开接头，在接头处要产生空穴、电子对，空穴、电子对的能量来自晶格的热振动能，从而可以观察到明显的吸热现象。再通过各种各样的散热方式，把热端的热量带走，冷端就能保持较低温度。在热平衡条件下，冷端所能达到的温度，取决于半导体材料的温差电特性和冷端的热负载以及器件的设计（工作状态、散热条件等）。

半导体致冷技术的应用广泛、产品众多。医用低温床垫、医用冷帽可以减少心脑血管病人的痛苦，并有良好的辅助治疗效果。显微镜冷冻台、切片冷冻台，更是医疗方面不可缺少的装置。半导体致冷露点仪在科学研究领域大量使用，该仪器的控温精度能达到千分之一度。石油分析中的倾点、凝点等测试仪，更是半导体致冷的用武之地。半导体致冷的除湿机在文件资料、磁盘光盘、高级服装的保存方面也起着重要作用。美国通用公司已经成功开发出半导体致冷的司机座垫，而且该座垫使用了一种先进的柔性连接结构，使座垫更加安全、舒适。半导体致冷散热器将彻底消除CPU工作时的温度过高现象【5】，从而更好地保护电脑的心脏【4】。

温差电致冷组件也是一种没有机械转动部件的固态器件，而且这种组件体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，在工作时无噪声、不释放有害化学物质（如氟氯烃），还能在任意角度安装，只需要改变电流方向便可实现致冷和加热的功能，而且调节电流大小可以精确控制温度。由于这一系列优点，所以温差电制冷在工业、农业、科学研究和国防等各领域都得到了广泛的应用。尤其对军事、航天领域的应用极为重要。