20溫差電效應(yīng)

1、實(shí)驗(yàn)二十熱電轉(zhuǎn)換演示儀溫差電效應(yīng)【儀器介紹】熱電轉(zhuǎn)換儀如圖20-1所示，兩個(gè)玻璃燒杯，溫度計(jì)（兩個(gè)），直流穩(wěn)壓電源。圖20-1熱電轉(zhuǎn)換演示儀【操作與現(xiàn)象】1. 西伯克（Seebeck）效應(yīng)（1）將熱電轉(zhuǎn)換儀開關(guān)擲到“ up”的位置。（2）將轉(zhuǎn)換儀的一邊金屬支架放到熱水中，將另一條金屬支架放到冷水中，溫度計(jì)分 別放入其中。（3）過一段時(shí)間，熱水中的能量就被轉(zhuǎn)換成功，可以看到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起來。（4）將熱水和冷水倒入到一個(gè)更大的容器中，并將兩支架都放入其中，這時(shí)風(fēng)扇就不 再轉(zhuǎn)動(dòng)了。（5）更進(jìn)一步，將一支架放到混合液中，而另一支架放入到冷水中，觀察現(xiàn)象。2. 帕爾帖（Peltire）效應(yīng)（1）將穩(wěn)壓直流電

2、源連接到熱電轉(zhuǎn)換儀上。（2） 將轉(zhuǎn)換儀開關(guān)擲到“ down的位置，打開電源開關(guān)。（3）等上一段時(shí)間，就可以感覺到兩邊金屬支架的溫度有差別了（注意：在這個(gè)實(shí)驗(yàn) 中，沒有必要將轉(zhuǎn)換儀支架放入水中）。（4）為了能觀察得更細(xì)致，可以讓轉(zhuǎn)換儀從室溫開始工作，經(jīng)過一段時(shí)間后，用溫度 計(jì)分別測量兩邊支架的溫度，以便具體地觀察出溫度的差異。3.在演示完帕爾帖（Peltire）效應(yīng)后，關(guān)閉電源。將轉(zhuǎn)換儀開關(guān)擲到“ up的位置，等一段時(shí)間，轉(zhuǎn)換儀兩邊支架溫度不同，其之間的溫差將產(chǎn)生電流，電風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)起來?！驹斫馕觥繙夭铍娦?yīng)又稱為熱電效應(yīng)， 是當(dāng)受熱物體中的電子， 因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫 區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生電

3、流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。 在無外磁場的作用下， 它包括以下幾個(gè)效應(yīng)： 1.塞伯克（Seebeck）效應(yīng)有兩種不同導(dǎo)體組成的開路中，如果導(dǎo)體的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差，這開路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢E,這就是塞伯克效應(yīng)。由于西伯克效應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱作溫差電動(dòng)勢。材料的塞伯克效應(yīng)的大小，用溫差電動(dòng)勢率a表示。材料相對(duì)于某參考材料的溫差電動(dòng) 勢率為：由兩種不同材料 P、N所組成的電偶，它們的溫差電動(dòng)勢率aPN等于aP與aN之差，即apNdEPNdTaP aN單位V K熱電制冷中用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成電偶。兩材料對(duì)應(yīng)的aP與aN，一個(gè)為負(fù),一個(gè)為正，取其絕對(duì)值相加，并將aPN直接簡化記作a，有a金|乩2.帕爾

4、帖（Peltire）效應(yīng)電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。由帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作帕爾帖熱，用符號(hào)QP表示。對(duì)帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)， 當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反， 從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。這樣一來，能量就在兩種不同材料的交界面處以熱 的形式吸收或放出。材料的帕爾貼效應(yīng)強(qiáng)弱用它相對(duì)于某參考材料的帕爾貼系數(shù)表示：dQPdl單位：W A式中I是流經(jīng)導(dǎo)體的電流，單位A。類似的，對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的電偶，其帕爾貼系數(shù)pN（或

5、簡單記作）：PNPN帕爾貼效應(yīng)與塞伯克效應(yīng)都是溫差電效應(yīng)，二者有密切聯(lián)系。事實(shí)上，它們互為反效應(yīng)，一個(gè)是說電偶中有溫差存在時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢；一個(gè)是說電偶中有電流通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫差。溫差電動(dòng)勢率a與帕爾貼系數(shù)河之間存在下述關(guān)系u aT式中T為結(jié)點(diǎn)處的溫度，單位K。3.湯姆遜效應(yīng)電流通過具有溫度梯度的均勻?qū)w時(shí)，導(dǎo)體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應(yīng)。由湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量，稱湯姆遜熱，用符號(hào)Qn表示QnI T單位W式中 為湯姆遜系數(shù)，單位 W A K ； T為溫度差，單位 K ； I為電流，單位A。在熱電制冷分析中， 通常忽略湯姆遜效應(yīng)的影響。另外，需指出：以上熱電效應(yīng)在電流反向時(shí)是可逆的。由于固

6、體系統(tǒng)存在有限溫差和熱流，所以熱電制冷是不可逆熱力學(xué)過程?！局R(shí)拓展】熱電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷史1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接 觸處的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢，此所謂塞貝克效應(yīng)”。1834年法國物理學(xué)家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流 電源的正負(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭變熱，另一個(gè)接頭變冷。這說明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時(shí)，兩個(gè)接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象。就這樣，法國實(shí)驗(yàn)科學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了塞貝克的反效應(yīng)：兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)， 兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差，此所謂珀?duì)柼?yīng)。1837

7、年，俄國物理學(xué)家愣次又發(fā)現(xiàn)，電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量，發(fā)熱(制 冷)量的多少與電流的大小成正比。1856年，湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學(xué)原理對(duì)塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)進(jìn)行了全面分 析，并將本來互不相干的塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系。湯姆遜認(rèn)為，在絕對(duì)零度時(shí)，帕爾帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)之間存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，他又從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時(shí)，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量(稱為湯姆遜熱)?；蛘叻催^來，當(dāng)一根金屬棒的兩端 溫度不同時(shí)，金屬棒兩端會(huì)形成電勢差。這一現(xiàn)象后叫湯姆孫效應(yīng)(Thomson effect)，成為繼塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)之后的第三個(gè)熱電效應(yīng)(thermoelectric effect )。帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100多年來并未獲得實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)榻饘侔雽?dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)很弱。直到上世紀(jì)90年代，原蘇聯(lián)科學(xué)家約飛的研究表明，以碲化鉍為基的化合物是最好的熱電半導(dǎo)體材料，從而出現(xiàn)了實(shí)用的半導(dǎo)體電子致冷元件一一熱電致冷器。塞貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后，人們就為它找到了應(yīng)用場所。利用塞貝克效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocoupl