20.温差电效应

实验二十热电转换演示仪——温差电效应

【仪器介绍】

热电转换仪如图20-1所示，两个玻璃烧杯，温度计（两个），直流稳压电源。

图20-1 热电转换演示仪

【操作与现象】

1. 西伯克（Seebeck）效应

（1）将热电转换仪开关掷到“up”的位置。

（2）将转换仪的一边金属支架放到热水中，将另一条金属支架放到冷水中，温度计分别放入其中。

（3）过一段时间，热水中的能量就被转换成功，可以看到风扇转动起来。

（4）将热水和冷水倒入到一个更大的容器中，并将两支架都放入其中，这时风扇就不再转动了。

（5）更进一步，将一支架放到混合液中，而另一支架放入到冷水中，观察现象。

2．帕尔帖（Peltire）效应

（1）将稳压直流电源连接到热电转换仪上。

（2）将转换仪开关掷到“down”的位置，打开电源开关。

（3）等上一段时间，就可以感觉到两边金属支架的温度有差别了（注意：在这个实验中，没有必要将转换仪支架放入水中）。

（4）为了能观察得更细致，可以让转换仪从室温开始工作，经过一段时间后，用温度计分别测量两边支架的温度，以便具体地观察出温度的差异。

3．在演示完帕尔帖（Peltire ）效应后，关闭电源。将转换仪开关掷到“up”的位置，等一段时间，转换仪两边支架温度不同，其之间的温差将产生电流，电风扇旋转起来。

【原理解析】

温差电效应又称为热电效应，是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。在无外磁场的作用下，它包括以下几个效应：

1. 塞伯克（Seebeck ）效应

有两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E ，这就是塞伯克效应。由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。

材料的塞伯克效应的大小，用温差电动势率a 表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为：

由两种不同材料P 、N 所组成的电偶，它们的温差电动势率PN a 等于P a 与N a 之差，即

N P PN PN a a dT

dE a -== 单位()K V 热电制冷中用P 型半导体和N 型半导体组成电偶。两材料对应的P a 与N a ，一个为负，一个为正，取其绝对值相加，并将PN a 直接简化记作a ，有

N P a a a +=

2. 帕尔帖（Peltire ）效应

电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号P Q 表示。

对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。这样一来，能量就在两种不同材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数π表示：

dI

dQ P =π 单位：()A W 式中I 是流经导体的电流，单位A 。

类似的，对于P 型半导体和N 型半导体组成的电偶，其帕尔贴系数PN π（或简单记作π）：

N P PN πππ-=

帕尔贴效应与塞伯克效应都是温差电效应，二者有密切联系。事实上，它们互为反效应，一个是说电偶中有温差存在时会产生电动势；一个是说电偶中有电流通过时会产生温差。温差电动势率a 与帕尔贴系数之间存在下述关系

式中T 为结点处的温度，单位K 。

3. 汤姆逊效应

电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称汤姆逊热，用符号N Q 表示

T I Q N ∆⋅⋅-=τ 单位()W

式中τ为汤姆逊系数，单位()K A W ⋅ ；T ∆为温度差，单位K ；I 为电流，单位A 。 在热电制冷分析中，通常忽略汤姆逊效应的影响。另外，需指出：以上热电效应在电流反向时是可逆的。由于固体系统存在有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆热力学过程。

【知识拓展】

热电效应的发现历史

1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。

1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。就这样，法国实验科学家帕尔帖发现了塞贝克的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。

1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。

1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆逊热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect ），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect ）。

帕尔帖效应发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半