溫電差效應(yīng)及其應(yīng)用研究

1、目 錄摘 要1Abstract1引言11溫差電效應(yīng)1 1.1塞貝克(Seebeck)效應(yīng)2 1.2珀?duì)栙N(Peltier)效應(yīng)2 1.3湯姆遜(Thomson)效應(yīng)22溫差電效應(yīng)的應(yīng)用3 2.1航空航天領(lǐng)域應(yīng)用3 2.2軍事領(lǐng)域的應(yīng)用3 2.3生產(chǎn)生活中的應(yīng)用43溫差電發(fā)展所面臨的問題及其前景展望7結(jié)語8參考文獻(xiàn)8 PAGE 10溫差電效應(yīng)及其應(yīng)用研究 摘 要：溫差電效應(yīng)又稱為熱電效應(yīng)，有著其它技術(shù)所不能及的諸多優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用前景，對人們的生活有著很大的影響。本文簡要介紹了溫差電現(xiàn)象,并著重涉及它的應(yīng)用以及目前所面臨的問題和對前景的展望。關(guān)鍵詞:溫差電效應(yīng)；珀?duì)栙N效應(yīng)；塞貝克效應(yīng)；應(yīng)用The

2、rmoelectric Effect And Its Application ResearchAbstract：Also known as hot effect, thermoelectric effect with other technology of many advantages and broad application prospect, has great influence on peoples lives. Thermoelectric phenomena are briefly introduced, and mainly involve the application o

3、f it and the facing problems and the prospect of outlook.Key words: thermoelectric effect; Peltier effect; Seebeck effect; application引言金屬和半導(dǎo)體中存在電位差時產(chǎn)生電流，存在溫差時產(chǎn)生熱流。從電子論的觀點(diǎn)來看，不論電流還是熱流都與電子運(yùn)動有關(guān)，故電位差、溫度差、電流、熱流之間會存在交叉關(guān)系，這就構(gòu)成了溫差電效應(yīng)，又稱熱電效應(yīng)。溫差電是研究溫差和電之間關(guān)系的科學(xué),更準(zhǔn)確地說是研究熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的科學(xué)。溫差電從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有一百多年的歷史了,但由于金屬的溫差

4、電效應(yīng)非常微弱,所以在很長一段時間內(nèi)并未得到廣泛的應(yīng)用。自從人們發(fā)現(xiàn)用半導(dǎo)體和金屬氧化物代替金屬可以使溫差電效應(yīng)得到明顯提高后,溫差電效應(yīng)的應(yīng)用翻開了新的一頁。目前溫差電效應(yīng)在航空航天、軍事和生產(chǎn)生活中的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展,特別是在發(fā)電和致冷這兩個方面:溫差發(fā)電能夠促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的多元化,緩解能源危機(jī),其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性且無污染,如放射性同位素溫差電源;而在致冷方面,與傳統(tǒng)的致冷工藝相比,溫差致冷具有很大的優(yōu)越性,應(yīng)用如便攜式手提冰箱。1溫差電效應(yīng)到目前為止,發(fā)現(xiàn)的溫差電效應(yīng)概括起來有三種， 即塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)和湯姆孫效應(yīng)。1.1塞貝克(Seebeck)效應(yīng)圖 1如果兩種不同導(dǎo)體連接成閉

5、合電路，且兩個接頭的溫度不等時，則回路中產(chǎn)生電動勢，會有電流出現(xiàn)，此現(xiàn)象是塞貝克于 1822年發(fā)現(xiàn)的，稱為塞貝克效應(yīng)。如圖1所示,由金屬A、B接成的熱電偶在兩個接點(diǎn)處保持不同的溫度T和T +,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),回路中兩接點(diǎn)處將產(chǎn)生電勢差,且與兩接點(diǎn)處的溫度差成正比1,即：圖1.1 塞貝克效應(yīng)示意圖稱為溫差電動勢系數(shù),它與材料及溫度有關(guān)1。1.2珀?duì)栙N(Peltier)效應(yīng)圖1.2 珀?duì)栙N效應(yīng)示意圖當(dāng)有電流通過不同導(dǎo)體組成的回路時，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，不同導(dǎo)體的接頭處還會隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這是珀耳帖在 1834 年發(fā)現(xiàn)的，稱為珀?duì)栙N效應(yīng)。如圖2所示,將兩種金屬A、B相連接,

6、并保持其溫度恒定不變。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)有電流通過電路時,在一個接點(diǎn)處有熱量放出,在另一接點(diǎn)處則吸收熱量,如果將電流方向反向,則原來吸熱的一端變?yōu)榉艧?原來放熱的一端變?yōu)槲鼰?以表示從A流往B的電流密度,單位時間內(nèi),單位截面的導(dǎo)線在接點(diǎn)處所吸收的熱量為: 式中稱為珀?duì)柼麩崃髅芏?是該兩種金屬的珀?duì)柼禂?shù),取決于兩種金屬的性質(zhì),并與溫度有關(guān)2。1.3湯姆遜(Thomson)效應(yīng)1856年英國科學(xué)家湯姆孫（即開爾文）用熱力學(xué)分析上述兩種溫差電效應(yīng)時指出，還應(yīng)有第三種溫差電效應(yīng)存在。后來有人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過具有溫度梯度的均勻?qū)w時,除了放出焦耳熱外,導(dǎo)體還需要放出或吸收另外的熱量,稱為湯姆熱,以表

7、示電流密度,在單位時間內(nèi),單位體積的導(dǎo)體放出的湯姆熱為:式中是湯姆遜系數(shù),它與溫度和材料性質(zhì)有關(guān), 這個現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)3。產(chǎn)生該效應(yīng)原因有:(1)因?yàn)槌霈F(xiàn)溫度梯度,導(dǎo)體本身各部分的物性有差異,如帶電粒子濃度將隨溫度而異,于是有類似珀?duì)柼?yīng)出現(xiàn);(2)溫度梯度引起溫差電動勢,它將對電流作功。可以看出,珀?duì)柼?yīng)就是塞貝克效應(yīng)的逆過程,后面所提到的溫差發(fā)電利用的就是塞貝克效應(yīng),而溫差致冷利用的是珀?duì)柼?yīng)。2溫差電效應(yīng)的應(yīng)用溫差發(fā)電有其得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn):它是利用熱電材料將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能,是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)化方式,因而在發(fā)電的過程中無噪音,無磨損,無介質(zhì)泄露且體積小,重量輕,移動方便,使用壽

8、命長,穩(wěn)定,環(huán)保等。目前,溫差電技術(shù)在航天、軍事領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,在日常生活中的應(yīng)用也在逐步擴(kuò)大,這其中以美國和俄羅斯在軍事、航天方面處于領(lǐng)先地位,民用上以日本為前沿,而歐盟則側(cè)重于小功率電源的研制。2.1航空航天領(lǐng)域應(yīng)用放射性同位素溫差發(fā)電器是目前唯一適合于外層空間探測的小型航天器電源系統(tǒng)。前蘇聯(lián)和美國是研制和使用同位素溫差發(fā)電器最多的國家,自1961年以來,僅美國在太空飛行中使用的同位素溫差發(fā)電器就達(dá)40個,這些同位素溫差發(fā)電器的輸出功率為2.7300W,最長的工作時間已超過30年。1977年8月20日發(fā)射的旅行者2號行星際飛行器,使用同位素溫差發(fā)電器,已成功飛越了木星、土星、天王

9、星和海王星,現(xiàn)已飛出太陽系,溫差發(fā)電器仍在正常工作4?，F(xiàn)在主要依靠放射性同位素發(fā)電系統(tǒng)來解決探索器的能源支持問題,這是因?yàn)樵谶h(yuǎn)離太陽的地方,不能借助太陽能來支持探測器的飛行,而如果用電池,既增加了飛行器的負(fù)擔(dān),同時維持的時間又不能滿足要求,甚至穩(wěn)定性也達(dá)不到設(shè)計的需要。利用放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)能夠解決上述問題。利用溫差電技術(shù),一枚硬幣大小的放射性同位素?zé)崮茉茨軌蛱峁╅L達(dá)二十年以上的不間斷供電。2.2軍事領(lǐng)域的應(yīng)用在軍事方面,溫差電技術(shù)也得到了廣泛深入的應(yīng)用,由于溫差發(fā)電機(jī)具有體積小,無震動,無聲音等良好的隱蔽性,所以廣泛應(yīng)用于潛艇和情報收集傳輸?shù)哪茉粗С值确矫?美國的導(dǎo)彈定位系統(tǒng)也利用了溫

10、差發(fā)電技術(shù)5。溫差電技術(shù)能夠提供信號傳輸所需要的能源,而不受地域和環(huán)境的限制。2.3生產(chǎn)生活中的應(yīng)用溫差電技術(shù)在生產(chǎn)生活中還沒有得到大范圍的應(yīng)用,但是已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展。溫差電技術(shù)穩(wěn)定性好、無需維護(hù)的特點(diǎn)使其在發(fā)電和輸送困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)揮著重要的作用,已用于極地,沙漠,森林等無人區(qū)的微波中繼站,無人航標(biāo)燈,油管的陰極保護(hù)等。前蘇聯(lián)從二十世紀(jì)六十年代末開始先后制造了1000多個放射性同位素溫差發(fā)電機(jī),廣泛用于燈塔和導(dǎo)航標(biāo)志,平均使用壽命長于十年。在我們的日常生活中,利用廢舊的CPU散熱片,可以自制冰鎮(zhèn)啤酒涼杯,在炎熱的夏天,即使停電利用電池的電量也能喝上冰爽的啤酒。2.3.1熱電偶溫度計把兩種

11、不同的金屬兩端彼此焊接組成閉合回路，若兩接點(diǎn)的溫度不同，回路中就產(chǎn)生溫差電動勢。這兩種金屬的組合叫熱電偶。溫差電動勢的大小除和組成的熱電偶材料有關(guān)外，還決定于兩接點(diǎn)的溫度差。將一端的溫度 T固定（稱為冷端，實(shí)驗(yàn)中利用冰水混合物），另一端的溫度 T 改變（稱為熱端），溫差電動勢亦隨之改變6。電動勢和溫差的關(guān)系較復(fù)雜，其第一級近似式為： (TT)式中稱為熱電偶的溫差電系數(shù)，其大小取決于組成熱電偶的材料。 圖2.1 熱電偶示意圖熱電偶可用電測量溫度。用一只已知值的熱電偶，一端溫度固定不變，另一端與待測物體接觸，再用電位差計測出熱電偶回路的電動勢，就可求出待測溫度。這樣就構(gòu)成了溫差電偶溫度計。這種溫度

12、計測溫范圍很廣，可在2002000范圍內(nèi)使用，從液態(tài)空氣的低溫到煉鋼爐中的高溫均可用溫差電偶測定。例如銅和康銅構(gòu)成的溫差電偶的測溫范圍在 200400之間；鐵和康銅則被使用在 2001000之間；由鉑和鉑銠合金（銠10%）構(gòu)成的溫差電偶測溫可達(dá)上千攝氏度以上；銥和銥銠（銠50%）可用于2300；若用鎢和鉬（鉬25%）則可高達(dá) 2600。溫差電偶的測溫靈敏度和準(zhǔn)確度很高，可達(dá)K 以下，特別是鉑和銠的合金制成的溫差電偶穩(wěn)定性很高，常用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計。溫差電偶的測溫端的面積和熱容量均很小，可測量小范圍內(nèi)的溫度或微小熱量，這對研究金相變化、化學(xué)反應(yīng)和小生物體的測溫等有重要意義。將溫差電偶的測溫端封裝在真

13、空管內(nèi)，并在端點(diǎn)焊上涂黑的金屬片，可更有效地吸收輻射熱，靈敏度也大大提高，是測定光輻射和紅外線的重要檢測器件。把許多溫差電偶串接起來成為溫差電堆，可增大溫差電動勢，從而提高測溫靈敏度。2.3.2溫差發(fā)電溫差發(fā)電是利用塞貝克效應(yīng)把熱能（即內(nèi)能）轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)一對溫差電偶的兩個接頭處于不同溫度時，電偶兩端就有一定電動勢。要得到較大的功率輸出，實(shí)用上通常把若干對溫差電偶串（或并）聯(lián)成為溫差電堆。用作溫差發(fā)電機(jī)的溫差電偶兩臂可用一個 N 型和一個 P 型半導(dǎo)體組成，也可用兩種不同的金屬合金組成6。然而溫差電器件的特性取決于溫差電材料（即電偶兩臂）的品質(zhì)因數(shù)為：式中是溫差電動勢率、 是電導(dǎo)率、是熱導(dǎo)率。

14、由于半導(dǎo)體溫差電材料的品質(zhì)因數(shù)比金屬的高得多，所以有實(shí)用價值的溫差電材料都是用半導(dǎo)體材料制成的。溫差半導(dǎo)體發(fā)電有著無噪音、壽命長、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)?？稍?0的寒冷環(huán)境中迅速啟動，因此在實(shí)際中得到越來越廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，目前主要用于油田、野外、軍事等領(lǐng)域。如美國 Teledyne Inc.開發(fā)的軍用、油田專用發(fā)電機(jī)，年銷售額超過10億美元。該項(xiàng)目的另一市場化領(lǐng)域在于將發(fā)電裝置用于太陽能、地?zé)?、工業(yè)廢能等的利用，使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。另外，半導(dǎo)體發(fā)電模塊體積小、重量輕、便于攜帶，可廣泛用于小家電制造、儀器儀表、玩具及旅游業(yè)。隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲越來越高、利用溫差發(fā)電可能是發(fā)展大方

15、向、從小型器件到大型電站，越來越多的實(shí)驗(yàn)室理論付諸實(shí)踐。圖2.2 半導(dǎo)體珀?duì)栙N效應(yīng)示意圖(1)小功率電源德國科學(xué)家最近發(fā)明了一種利用人體溫差產(chǎn)生電能的新型電池,可以給便攜式的微型電子儀器提供長久的”動力”,因而免去了充電或更換電池的麻煩。據(jù)德國科學(xué)畫報雜志報道,德國慕尼黑的一家芯片研發(fā)企業(yè)研究出的這種新型電池,主要由一個可感應(yīng)溫差的硅芯片構(gòu)成。當(dāng)這種特殊的硅芯片正面“感受”到的溫度較之背面溫度具有一定溫差時,其內(nèi)部電子就會產(chǎn)生定向流動,從而產(chǎn)生“微量但卻足夠用的電流”7。負(fù)責(zé)研發(fā)這種電池的科學(xué)家溫納韋伯介紹說:“只要在人體皮膚與衣服等之間有5的溫差,就可以利用這種電池為一塊普通的腕表提供足夠的

16、能量”?？茖W(xué)家介紹,這種新型電池不僅可用于手表、手機(jī)、掌上電腦等,還可為一些醫(yī)學(xué)電子儀器,如腕戴式血壓、脈搏等測量儀器提供能量。(2)余熱廢熱發(fā)電隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的加快,鋼鐵廠,水泥廠,造紙廠,石油冶煉廠,紡織廠等越來越多。在生產(chǎn)過程中,余熱和廢水排放量也直線上升,利用它們產(chǎn)生的余熱來發(fā)電可以產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益。這樣既實(shí)現(xiàn)了能源的有效利用又不需要什么成本,可以說是一本萬利。同樣的,在汽車的發(fā)動機(jī)和排氣管上面安裝溫差發(fā)電系統(tǒng),把熱能轉(zhuǎn)換為電能并用于推動汽車,可以減少燃油消耗,在一定程度上達(dá)到節(jié)約能源的作用。美國Cardiff大學(xué)的Rowe教授通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用洗澡后浴缸中剩余水的余熱產(chǎn)生電,可

17、以使一臺彩色電視機(jī)連續(xù)工作一小時8。因此,只要我們把身邊的廢熱余熱利用起來就可以節(jié)省能源,利國利民。2.3.3溫差制冷溫差電制冷是溫差發(fā)電的逆效應(yīng)，它利用珀耳帖效應(yīng)用電能來傳遞熱量。半導(dǎo)體溫差電制冷器是由 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體構(gòu)成的溫差電偶，用銅片把兩個半導(dǎo)體連接起來。電流 I 由 N 型半導(dǎo)體流向 P 型半導(dǎo)體時，該接頭吸收珀耳帖熱；在另一接頭，電流由 P 型半導(dǎo)體流向 N 型半導(dǎo)體，有熱量釋放出來。通過各種散熱方式把熱端的熱量帶走，冷端就能保持較低溫度。在熱平衡條件下，冷端所能達(dá)到的溫度取決于半導(dǎo)體材料的溫差電特性和冷端的熱負(fù)載以及器件的設(shè)計（工作狀態(tài)、散熱條件等）。為了獲得較大產(chǎn)

18、冷量，實(shí)用制冷器也常用溫差電堆構(gòu)成。目前一級制冷溫差可達(dá) 5060，二級制冷可達(dá) 7080，三級制冷可達(dá)90100。由于低溫下材料的制冷性能變差，所以一般只作到三級左右9。半導(dǎo)體溫差電制冷器的制冷效率不隨制冷容量變化。當(dāng)制冷容量超過幾十升時，其效率比不上壓縮式制冷機(jī)的效率；但對小容量制冷，它是相當(dāng)優(yōu)越的，適用于做各種小型恒溫器以及要求無聲、無干擾、無污染等特殊場合。目前溫差制冷技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于對溫差要求不是很高的情況,比如便攜式制冷箱。隨著社會的發(fā)展,人們對冰箱和空調(diào)舒適度和方便的要求越來越高,對環(huán)境的保護(hù)也給予了特別的關(guān)注,溫差電技術(shù)正符合這些要求,因?yàn)檫@種技術(shù)不需要制冷劑,而且沒有噪音,能根

19、本上革新傳統(tǒng)的利用制冷劑和壓縮機(jī)來達(dá)到致冷的技術(shù)。在電子工業(yè)中,利用溫差電技術(shù)的半導(dǎo)體致冷器作為低溫穩(wěn)定器,可用來提高電子元件的性能,特別是在超大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用的今天,可以使電路元件在適宜的溫度下工作而又不增加元件的體積。半導(dǎo)體致冷器在小型空調(diào)中作冷源,做成小型手提冰箱,為長途車司機(jī)和野外作業(yè)人員提供方便,它還可以做成去濕機(jī),快速冷飲機(jī)和高溫作業(yè)人員用的降溫頭帶等。隨著其致冷性能不斷提高,成本逐漸下降,半導(dǎo)體致冷器必將得到更廣泛的應(yīng)用。3溫差電發(fā)展所面臨的問題及其前景展望雖然溫差電技術(shù)有顯著的優(yōu)越性,但是它的發(fā)展卻受到一些因素的阻礙。其中主要因素是:(1)成本比較高,目前其主要應(yīng)用于不以

20、成本為主要考量的領(lǐng)域,如軍事,航空航天等,而在工業(yè),商業(yè)或是日常生活用途上還有很長的路要走;(2)熱能和電能的轉(zhuǎn)換效率很低,目前普遍只有5%左右。所以,只有找到一種既成本低廉,而且轉(zhuǎn)換率又能夠得到很大提高的新型材料,應(yīng)用才能得到全面的推廣。目前,我國已經(jīng)成為世界上溫差電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國家之一,產(chǎn)品的技術(shù)性能也接近國際先進(jìn)水平。以電子致冷飲水機(jī)為代表的溫差電致冷產(chǎn)品廣泛進(jìn)入了普通家庭,可以相信,溫差電技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。我國南海海域遼闊,水深大于800米的海域約140150萬平方公里,位于北回歸線以南,太陽輻射強(qiáng)烈,是典型的熱帶海洋,表層水溫均在25以上。據(jù)初步計算,南海溫差能資源理

21、論蘊(yùn)藏量約為(1.191.33)KJ,技術(shù)上可開發(fā)利用的能量(熱效率取7%)約為(8.339.31)KJ,實(shí)際可供利用的資源潛力(工作時間取50%,利用資源10%)裝機(jī)容量達(dá)13.2114.76億千瓦。我國臺灣島以東海域表層水溫全年在2428,500800米以下的深層水溫在5以下,全年水溫差2024.據(jù)臺灣電力專家估計,該區(qū)域溫差能資源蘊(yùn)藏量約為2.16KJ.我國溫差能資源蘊(yùn)藏量大,在各類海洋能資源中占居首位,且這些資源主要分布的海域具有日照強(qiáng)烈,溫差大且穩(wěn)定,全年可開發(fā)利用的特點(diǎn)。另外,由于地表和地下之間的溫差較大,所以也蘊(yùn)藏了豐富的能量。美國密西西比州立大學(xué)的Stevens教授進(jìn)行了利用地表與地下的溫差發(fā)電的有關(guān)實(shí)驗(yàn)和研究10。相信在科學(xué)家們的進(jìn)一步研究中,溫差電技術(shù)一定能夠更加成熟,為我們未來的生活帶來諸多便利。結(jié)語：目前,人類正面臨著能源緊缺和環(huán)境惡化的挑戰(zhàn),這為溫差電技術(shù)的發(fā)展提供了千載難逢的機(jī)遇。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對能源的需求越來越大,同時,世界局勢的瞬息萬變,這對于像我國這樣一個對能源進(jìn)口占很大比重的國家來說,具有很大的安全隱患。另一方面,可持續(xù)發(fā)展對環(huán)境的保護(hù)提出了更高的要求。所以,我們應(yīng)該從實(shí)際需求出發(fā),加大投入,大力發(fā)展溫差發(fā)電,走出一條擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和特色的能源之路。參考文獻(xiàn)1梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學(xué)M.北京：高等出版社