第4章 热电材料 PPT

4.1 温差电动势材料
一、温差电动势效应(温差热电效应) （一）赛贝克效应
由两种不同的导体（或半导体பைடு நூலகம்A、B组成的闭合 回路，当两接点保持在不同温度T1，T2时，回路 中将有电流I通过，此回路称为热电回路。
回路中出现的电流称为热电流。 回路中的电动势EAB称为赛贝克电动势。 此效应称为赛贝克效应，即在具有温度梯度的样
2、汤姆逊热效应
若电流通过有温度梯度的导体，在导体和周围环 境之间将进行能量交换，该效应称为汤姆逊效应。
在热电回路中，流过电流I时，在存在温度梯度 dT/dx的导体上也将出现可逆的热效应，是放
热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热
效应∆QT的大小与电流I、温度梯度dT/dx和通 电流的时间∆t成正比，即
1、珀尔帖热效应
当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路 时，接点上将产生吸放热现象，改变电流方向， 吸放热也随之反向，该效应称之为珀尔帖效应。
1834年Heinrich Lens发现将一滴水置于铋和 锑的接点上，通以正向电流，水滴结成冰，通以 反向电流，冰融化成水，所谓的制冷效应。
在热电回路的两个接头处，当电流I流过时将发生 可逆的热效应，即有∆QП 的吸收或释放，其大小与 电流I和流通的时间∆t成正比，∆QП=ПABI∆t
式中：P为热敏材料中耗散的输入功率；TT为热敏
材料的温度；T0为周围介质的温度。
3、功率灵敏度ερ


C
100
ερ的物理意义为降低热敏材料内的电阻率的1/100 所需的功率值。
4、灵敏阈值
灵敏阈值是可测出电阻变化的最小（热值）功。 数量级在10-9W左右。
三、热电导材料的种类
1、正温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率增加。
四、温差电动势材料的应用
温差电动势材料主要应用在两个方面：一是用作 热电偶材料，制作热电偶用于测温，这方面应用 的材料主要是高纯金属和合金材料；二是制作热 器件，用来发电或做致冷器，这类器件所用的材 料主要是高掺杂半导体材料。
4.2 热电导材料
热电导材料又称热敏材料，实际上是温敏材料。 一、热电导效应
品两端会出现电压降。 该效应成为了制造热电偶测量温度和将热能直接
转换为电能的理论基础。如图4－1所示。
热回路中存在的热电动势为EAB。如图4－1（b）所示， 将回路断开，在断开处a、b间便出现电势差 ∆V=Vab=Vb-Va
∆V与两接点间的温差∆T有关。当∆T很小时 ，∆V与∆T成正比关系。定义∆V对∆T的微分 热电动势为
热电材料
PPT大纲
热电材料的发展历史 热电材料的定义、分类 热电材料的特点、效应 热电材料的制备 热电材料的研究现状 热电材料应用 热电材料的未来发展
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热电材料
热电材料就是把热转变为电的材料。 主要包括温差电动势材料，热电导材料和热释电
材料三大类。
§4.1 温差电动势材料 §4.2 热电导材料 §4.3 热释电材料
QT

I
dT dx
t
式中μ称为汤姆逊系数，其代表单位电荷通过单位 温度梯度时所吸收（或释放）的热量。
这种可逆的温差电热效应是汤姆逊从理论上预言 的。汤姆逊将两种温差电热效应的系数与温差热 电效应的赛贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式
ПAB≈TSAB
或
A
B

T
dSAB dT
（三）接点-介质温差效应
式中：I为通电的电流强度；П AB为导体A和B的珀 尔帖系数，其大小等于接点处通过单位电荷时吸 收（或释放）的热量。ПAB的符号放热为负；吸 热为正。
ПAB＝ПA－ПB 式中：ПA、ПB分别为导体A、B的珀尔帖系数。 由于珀尔帖效应，会使回路中一个接头发热，一
个接头致冷。实际上是赛贝克效应的逆效应。
2、负温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率降低。
四、热电导材料的应用
热电导材料可以作热敏电阻等热敏元件，红外 探测器元件。热电导半导体材料可以作半导体 热敏器件、半导体热敏传感器。
4.3 热释电材料
一、热释电效应
热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时， 由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上 产生表面电荷。这一效应称为热释电效应。热释 电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系，可 用下式简单表示
用半导体和两种不同金属连接成一个回路（半导 体在两金属中间）并使半导体温度大于介质温度 ，即可产生电动势。这也是一种温差效应。
三、温差电动势材料的种类
1、合金
常用的有铜镍、镍铬、镍铝、铂铑、金铁。
2、半导体合金 碲化铋、硒化铋、碲化锑、锑化铅等。
3、化合物 氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。
SAB为材料A和B的赛贝克系数 。
SAB=SA-SB SA、SB为材料A、B的赛贝克
系数
EAB=SAB ∆T
图4－1 赛贝克效应
（二）温差电热效应
在热电回路中，与两接点间的温度差所引起的赛 贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种 热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电 极的两个接头处；后者发生在两个电极上。
存在着与其他极轴不相同的唯一极轴（极化轴）
时，这样才有可能因膨胀而引起总电矩的变化， 即出现热电导效应。
所谓热释电效应是指热释电材料受到热辐射后， 晶体自发极化强度PS随温度变化而变化（其变化 系数dPS/dT），因此其表面电荷也发生变化。 如果在晶体两端连接一负载RS，则会产生电位差 ∆V，就称为热释电效应。热释电位差∆V和电流I
当温度升高时，材料的σ发生较大变化的一类材 料称为热电导材料。 二、热电导材料的特征值
1、电导率的温度系数 它是热电导材料的重要参数。电导率的温度系数
ασ表示式为


T

(1 ) T
2T

T


2、耗散系数H
H P TT T0
∆PS=p∆T 式中：∆PS为自发极化强度差；p为热释电系数；
∆T为温度差。
由此可见，晶体中存在热释电效应的前提是具有 自发极化，也就是说，晶体结构的某些方向的正 负电荷重心不重合，故存在固有电矩。
因此，具有对称中心的晶体将不可能具有热释电 效应，在这点上它与压电晶体是一致的。但是，
压电晶体不一定都具有自发极化。而晶体结构中