温差电效应及其应用

温差电效应及其应用

题目：温差效应的原来及应用

所属课程: 电磁学

院系: 物理与空间科学学院

专业: 物理学

班级: 2015级5班

姓名: 王俊

学号: 201509140524

指导老师: 刘立军

2016年12月6日

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。汤姆逊效应是指金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。

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]。如图1所示，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+∆T ，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∆T

成正比，即∆ζ=ε∆T，其中ε是温差电动势系数，它与材料及温度有关。J表示电流密度[2]。

图1 温差电效应原理

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]。

温差电效应的应用：温度测量、温差发电与温差电制冷

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0 k，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 温差发电及其应用

温差发电是利用热电转换材料，将热能转化为电能的全静态直接发电方式, 具有设备结构紧凑、性能可靠、运行时无噪声、无磨损、无泄漏、移动灵活等优点，有微小温差存在的情况下即可产生电势，在军事、航天、医学、微电子领域具有重要的作用。

图2 温差发电的原理示意图

温差发电原理，如图2所示：将两种不同类型的热电转换材料N 和P的一端结合，并使他处于高温状态，另一端开路并处于低温