第4章 热电材料 PPT
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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
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。
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
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）A、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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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。
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
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
∆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
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
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
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
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
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。
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
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）A、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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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。
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
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
∆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
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
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
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
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