热电转换材料

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热电转换元件工作原理：
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如下图：p型半导体材料的绝对塞贝克系数Sp为正值、n型半导体材料的绝对 塞贝克系数Sn 为负值，A端温度为Tc、B端温度为Th ．回路中通过电流为I， 电流由n型半导体流向p型半导体，由于帕耳帖效应在A端电极处吸热，在B 端电极处放热. 若保持电流、A端和B端温度不变，则该电热元件由A端连续 不断的从对象中吸热，由B端放热，实现热电制冷. A端Tc
– 帕耳帖(Peltier)效应
– 汤姆逊(Thomson)效应． （一）塞贝克(Seebeck)效应：
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• 1821年塞贝克(T．J． Seebeck)发现当两种 不同的金属A、B组成 回路，且两接触点的 温度不同时，在回路 中产生电流，这称为 塞贝克效应． • 当两接触点的温差较小 时，回路中的电动势
B端Th
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材料 – 当前使用和正在开发的热电转换材料（半导体），按使用温度分，主要 有三类： • • • (1)低温区(300-400℃)：Bi2Te3、Sb2Te3 、 HgTe、Bi2Se3 、 Sb2Se3、ZnSb及它们的复合体. (2)中温区(700℃): PbTe、SbTe、Bi(SiSb2)、Bi2(GeSe)3等. (3)高温区(≥700℃)：CrSi2、MnSi1.73、FeSi2、CoSi等.
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– 热电极材料： • 铂铑合金 • NiCr10合金 • 康铜等． • 热电偶: 铂铑-铂, NiCr10-康铜, Fe-康铜等.
三．热电转换材料
热电转换材料：用于热电发电、热电制冷等方面的材料． – 热电材料与其它能源转换相比成本高，效率低．但在一些特定场合和条 件下，使用热电转换材料来获得能源十分必要．
EAB与温差有线性关系：
Leabharlann BaiduEAB =SAB T
T－两接触点的温差，
SAB－相对塞贝克系数， SAB = SA - SB SA 、 SB－金属A 、金 属B的绝对塞贝克系数．
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– 将回路断开，在断开处a 、b间便出现一个电动势差，即V＝Vb-Va，
其极性和量值与回路中的热电动势一致．
（二）帕耳帖(Peltier)效应： • 1834年帕耳帖(J.C.A. Peltier)发现，当两种不同金属组成回路并有电流(不管 是热电流还是外加的电流）在回路中流过时，在两种金属的一个接点处放出 热量，而在另一个接点处吸收热量．改变电流的方向，则吸、放热的接点也 对调．这种效应称帕耳帖 (Peltier) 效应．它满足下式： QAB = AB I QAB－接点处吸收帕耳帖热的 速率； AB －金属A和B间相对 帕耳帖系数； I－通过的电流 T1 - T T2 + T B A
– (一)Bi2Te3-Sb2Te3系化合物 • Sb2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3均属Bi2Te3化合物半导体，其晶体结构为 菱面体点阵，属C33结构。这些化合物可互溶且有较大的互溶度. – (二)PbTe型化合物 • PbTe系化合物既可作为合金，也可当作半导体。具有离子键结合的 NaCl型晶体结构。该化合物的固溶范围很小.
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– (三)FeSi2型化合物 • FeSi2化合物的晶体结构为四方点阵，该化合物的固溶范围很小， 纯的FeSi2化合物是本征半导体.
– 上述(一)、（二）、（三）类化合物通过调整化学成分或掺杂可制成P型 或N型半导体.
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度梯度的一根均匀导体通过电 流时，会产生吸热和放热现象． 这就是汤姆逊(Thomson)效应． 如右图：一根均匀的导体在某 一点O加热至T2温度，两端点 P1 、 P2点温度相同且为T1 b) a) T 1 - T P1
T2 O 热流
T1+ T P2
（图(a)）．如果这均一的导
体构成回路（图(b)） ，当有 电流通过时，则P1 、 P2点会 出现温度差．设汤姆逊热效应 产生的热吸收率为 qA(对于导 体A)，则
第二节 热电转换材料
• • 太阳辐射到地球的热可利用适当的材料进行热电转换加以利用. 热电转换材料还广泛应用于温度测量、制冷等方面.
一.
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热电效应
热电效应：在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部位出现温度差， 则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电动势，此现象称热电效应． 热电效应有三种： – 塞贝克(Seebeck)效应
二. 热电偶材料
热电偶材料: 利用热电转换效应将温度信号转换成电信号, 从而实现温度测量的材 料.
• 当A、B两种导体构成图5—5所示的回路时，按塞贝克效应当端点T1和T2的温 度不同时，回路中产生热电势．根据热电势和温差的对应关系，测出电势即可 得出温度. 热电极材料：构成热电偶的导体(或半导体)称为热电极材料． – 性能要求：热电势大，热电势随温度呈单调函数变化，熔点高、抗高温氧 化性和抗环境介质腐蚀，热电特性稳定，有良好的加工性能及机械强度 5 等．
a)均匀导体形成温度差；b)电流通过有温度差的导体 产生吸热和放热
恒温槽
汤姆逊(Thomson)效应
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qA A j
dT dx
A－导体A的汤姆逊系数；dT/dx－导体温度梯度；j－电流密度．
若电流方向与热流方向一致则放出热量(电流产生的焦耳热之外)，反之则吸热. • • 事实上，上述热电效应不仅存在于金属导体中，也存在于半导体中. 金属的热电效应较弱，半导体的热电效应显著．
吸热
放热
强度．
帕耳帖(Peltier)效应
AB = A - B A 、 B －分别是金属A和金属B的绝对帕耳帖系数．
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（三）汤姆逊(Thomson)效应 1851年汤姆逊根据热力学理论， 单一 证明帕耳帖效应是塞贝克效应 导体
T1
T2 O 加热点 热的传递
T1
P1
P2
的逆过程．并预测，当具有温