第六章热电效应(学生版)

第六章热电效应本章讲述热如何产生电动势，从能量角度看，是热能向电能的转化。在金属和半导体中存在电位差时产生电流，存在温差时产生热流，从电子论的观点来看，在金属和半导体中，不论电流还是热流都与电子的运动有关系，故电位差、温度差、电流、热流之间会存在交叉联系．这就构成了热电效应。热电效应塞贝克效应珀耳帖效应汤姆孙效应热释电效应电热效应热电子效应，电阻温度效应第1节塞贝克效应1821年德国物理学家塞贝克(T．J．Seeback)发现：当两种不同金属导线组成一闭合回路时，若在两接头端维持一温差，回路中就有电流和电动势产生，后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，上述回路称为热电偶或温差电池。如图1-1(a)所示，在两种金属的二接头处分别保持温度回路中就会产生温差电动势；如图1-1(b)，将金属导线1或2从中断开，接入电位差计就可测得这个电动势ξ1221TT、dTd12。它的大小与两接头的温差和材料有关。与材料的关系可以用单位温差产生的塞贝克电动势，即温差电动势率来描述，它定义为选用不同材料构成温差电偶．会有不同的温差电动势率。对于两种确定的材料，温差电动势与温差成正比，即(1-1)该式只在一定温度范围内成立。线性关系很难在一个大的温度区间内保持。温差电动势的一般表达式为（1-2)其中为另一个系数。两种金属构成的回路有塞贝克效应，两种半导体构成回路同样有温差电动势产生，而且效应更为显著。为了说明塞贝克效应产生的机理，先了解接触电位差的概念。2112TT221211221TTTT1.逸出功与接触电位差在金属中的自由电子犹如处在一个势阱中，要将自由电子拉出金属之外必须对它作功。使一个自由电子逸出金属表面所需的功叫逸出功(或称功函数)。如果设电子在金属之外的电位能为零，则在金属内电位能为负。根据静电学知识，如果金属之外电位为零，则金属内的电位为十V，金属内外极薄的表层就存在电位差V。因此，逸出功可看作外力使电子克服这个电位差V所作的功，其数值等于自由电子由界面以内到界面以外电位能的增加，即逸出功（1-3）e为电子电荷，V称为逸出电位。由于电子电量是恒定的，通常某金属的逸出功可用逸出电位来表示。eV不同金属有不同的逸出功或逸出电位．逸出功不同,实质上是金属中自由电子的能量不同，能量大者，逸出金属表面所需的逸出功或逸出电位就小；反之，自由电子能量较小，所需逸出功就大。逸出功的大小反映了金属中自由电子能量的大小，大多数纯金属的逸出电位在3～4.5V之间，而铂的选出电位则超过5V。金属电子的逸出功在许多物理问题中占有重要地位，如光电子发射、热电子发射、场致电子发射、温差现象等。下面看两种逸出功不同的金属接触时所发生的现象。接触电位差是由于两种金属接触时，双方自由电子相互扩散的微观过程达到平衡所引起的。扩散的宏观趋势是自由电子由逸出电位小的金属到选出电位大的金属；由自由电子密度大的金属到自由电子密度小的金属。参照图1-2，设有温度相同，逸出功不同的两种金属1和2，其逸出电位分别为V1和V2。且V1＜V2。图1-2由于逸出电位小的金属，其逸出功亦小，而逸出功较小的金属，其内部自由电子能量较大，又电子有从能量较高处过渡到能量较低处的趋势，所以当两种金属接触时，电子从金属l迁移到金属2较之从金属2迁移到金属1来得容易。随着电子从金属1迁移到金属2，金属2将带负电，而金属l由于失掉电子而带正电。在接触处形成一偶电层，产生一个电场E，这个电场会阻止自由电子从1到2继续扩散。最后由于逸出功之差形成的扩散力与电场力平衡，电子的扩散就达到动态平衡，即由l到2的电子数等于从2到l的电子数。此时1、2之间建立起一定的电位差(1-4)即由于金属逸出功不同而形成的接触电位差等于两种金属逸出电位之差。平衡时，每个导体都是等位体，故接触电位差是两个导体接触处的电位跃变。121212VVeV回到图1-1(c)，如果两金属接触点的温度，则两接头的电位差大小相同，方向相反，整个回路的总电动势为零。若，因为材料的逸出功或逸出电位与温度有关，，回路的总接触电位差为。当两接头温度不一样时．还有一点值得注意，这时每种金属的两端都处于不同温度，金属上存在温度梯度，这种温度梯度在造成热流的同时，也将造成自由电子的流动，而流动差会引起一种电位差，即——温差电位差。21TT21TT212112TVTV212112TVTV2.温差电位差参照图1-3（a），对于金属1的高温端T1，有较多的高能电子，而冷端T2有较多的低能电子。高能电子将向冷端扩散，低能电子则向高温端扩散。然而扩散速率一般是电子能量的函数，高温端电子有较大的扩散速率，因而将形成高温端到低温端的净电子流。此电子流使电子在低温端T2堆积带负电，高温端T1因缺少电子带正电，产生一个阻止电子进一步流动的温差电场，当这电场对电子的电场力Fe等于电子的热扩散力Fτ时，金属1的T1、T2两端建立起稳定的温差电位差V1（T1、T2）。图1－3类似地在金属2的T1、T2两瑞也建立起稳定的温差电位差V2（T1、T2），对于整个回路来说，金属1、2上的温差电位差反向；但由于材料不同，纵使温差相同，二者也不会互相抵消。由图1-3(b)可见，对于热电偶，回路的总温差电动势是四个电位差的代数和(1-5)前两项是两接头的接触电位差的差，后两项是两种金属上的温差电位差的差。21121221211212TTVTTVTVTV，，3．塞贝克效应的应用在半导体中的塞贝克效应比金属导体中的显著得多，如金属中温差电动势率约为几微伏每度，而在半导体中常为几百微伏每度，甚至达到几毫伏每度。因此金属的塞贝克效应主要用于测量，而半导体则用于温差发电。适于温度测量和温差发电的一个基本系统筒略地示于图1-4。几个温差电偶互相串联构成一个温差电堆，这种装置与单个温差电偶相比，可以提高灵敏度(对温度测量)和增加功率输出(对温差发电)。对温度测量，温度TL是固定的，TH为待测温度，而装置D就是一个度量塞贝克电动势的电位差计；对于产生动力来说，温度TH，TL是两个热源的温度，D则是由产生的电力来运转的负载，A和B分别代表P型和N型半导体。图1-4(1)温度测量尽管金属比半导体的温差电动势率小，对于精密温度测量它仍比半导体较为可取，这是因为金属材料比半导体材料价格低，较易制成诸如细线那样的方便形式，具有更易再现的温差电性质，在较大的温区能保持塞贝克电动势与温差的线性关系；通过多个热电偶串联成热电堆可以获得高灵敏度，足以探测微弱的温差乃至红外辐射。铂一铂铑热电偶可用至高达1700的温度；镍铬镍铝热电偶有更高的灵敏度和与温度成正比的电动势；铜一康铜热电偶在高于室温直至15K的温度范围仍具有高灵敏度；低干4K的温度可用特种金钴合金一铜热电偶或金铁合金一镍馅热电偶。温差电偶测温被广泛用于科学研究和工业生产中，仅在美国每年生产的温差电偶材料就有几百吨之多。(2)温差发电由于半导体温差电材料的温差电动势率比金属的高得多．所以有实用价值的温差发电材料多是半导体材料。半导体温差发电机体积小，重量轻，结构简单，工作安静，无干扰并可利用多种热源(如煤热、油热、地热、海洋温差)等优点，且可在恶劣条件下工作，适于做空间飞行器、海底电缆系统、海上灯塔、石油井台及无人岛屿上观测站的辅助电源，还可用于心脏起搏器中。第二节珀尔贴效应珀尔贴效应的发现珀尔贴效应的产生机理珀尔贴效应的应用珀尔帖效应引发的思考珀尔贴效应的发现：1834年，珀尔贴发现当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除了产生不可逆的焦耳热外，在不同的接头处分别出现吸热和放热现象，如果把电流反向，吸热的接头便会放热，而放热的接头便会吸热，这就是珀尔贴效应。一、改变电流方向，吸热、放热发生变化珀尔贴效应的发现：1853年，Q．伊西留斯发现，在每一接头上热量的流出率(或流入率)与电流成正比：式中Π12是珀尔贴系数，即单位电流每秒吸收或放出的热量。单位是：瓦/安，也就是伏特；它的正负取决于接头处是吸热还是放热（相对于导体本身），吸热为正，放热为负。注意：由于与珀尔贴效应相关的热传输量很小，以及焦耳热和汤姆孙效应同时存在，因此，珀尔贴系数的测量比较困难。二、IdtdQ12珀尔贴效应的产生机理：如上图，在两种金属接头处有接触电位差，设其电场方向是由金属1指向金属2。在接头A处电流由金属2流向金属1，即电子由金属1流向金属2，接触电位差的电场阻碍电子运动，电子在这里要反抗电场力做功eV，它的动能减少。减速的电子与金属原子碰撞，从金属原子取得动能，从而使温度降低，从外界吸收热量；在接头B处，接触电位差的电场使电子加速，电子越过时，动能将增加eV12，被加速的电子与接头处的原子碰撞，把获得的能量交给金属原子，使该处温度升高而释放热量。金属热电偶的帕尔帖效应较小。半导体热电偶的帕尔帖效应大得多。12++++++––––––AB温差制冷珀尔帖效应主要用来进行温差致冷。上节图1-4的系统也适用于温差致冷，用这种温差电堆系统同样可提高产冷量。这里装置D就是一部电源。如果电流方向适当，处于的接头将发热，而处于的接头将吸热。把在一热源中固定，将会被冷却，即电能不断地把的热量转移到热源中。图1-4帕尔帖效应的应用目前，用珀耳帖效应致冷，温差可达150℃之多。当这种致冷器致冷容量超过几十升时，其效率比不上压缩循环式致冷机；但对小容量致冷，它是相当优越的(一种50L容量的典型装置，需要40W的直流输入功率，具有23W的致冷能力)，适用于做各种小型恒温器以及要求无声、无干扰、无污染等特殊场合，因此可用在宇宙飞行器和人造卫星：真空系统的冷却阱，红外线探测器的冷却装置上以及在显微镜或切片机的冷台上用来切割经过冷却的细胞组织等等。倒转电流方向的温差电致冷器又成为一个温差电加热器，用于贮藏食品很方便：食用前用作冷藏，食用时改变电流方向用来加热。半导体的珀尔贴效应Pn由于金属的接触电位差比较小，况且高温到低温的热传导率比较大，所以采用导热率以及电阻率低的材料——半导体材料。吸热放热＋＋－－＋＋－－为了提高效率，必须选择珀耳帖系数大的半导体材料；为了使高温到低温的热传导小及产生的焦耳热少，必须选用热导率和电阻率小的材料。一般常用等V-Ⅵ族化合物半导体材料。图1-6表明半导体致冷器的原理性结构，图(a)为原理示意，图(b)为串接致冷器。图1－6珀尔帖效应引发的思考：1.珀尔帖效应与材料本身的哪些因素有关系？2.珀尔帖系数除了与材料本身性质有关外，还与哪些外界因素有关？3.当金属与P型半导体构成回路时，载流子运动的物理图象是什么？4.当把P型、N型半导体接在一起时，能有珀尔帖效应吗？进一步的讨论-----怎样增加单位时间里的放热量（吸热量）增加单位时间里流过接头的载流子数目n即增加电流I增加接触电位差V选取接触电位差比较大的材料V的产生是因两种金属中载流子浓度差（逸出功不同）所引起的半导体材料IdtdQ改变珀尔贴系数II第三节汤姆孙效应汤姆孙效应是1854年由W.汤姆孙发现的一个温差电现象。电流通过具有一定温度梯度的金属导体，会有一横向热流流进或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度方向而定。在原来温度均匀的导体中不会发生汤姆孙效应。汤姆孙效应在下列意义上是可逆的，即当温度梯度或电流方向倒转，导体从一个汤姆孙热发生器变成一个汤姆孙热吸收器。在单位时间内吸收或放出的热量与电流I和温度梯度成正比，即(1-7)式中μ为汤姆孙系数，它与材料性质有关。习惯上I和方向相同时若吸热，μ则为正值。实际上μ极难做出准确测量。当发生汤姆孙效应的时候，也有焦耳热产生，但它们有本质的不同；首先，焦耳热是不可逆的，不论电流为何方向都是放热的；其次，焦耳热产生率不与电流大小成正比，而与其平方值成正比。dtdQdxdTdxdTIdtdQdxdT汤姆孙效应定性解释如图1-7(a)所示，当某一金属存在一定温度梯度(温差)时，由