熱電第一效應(yīng)簡(jiǎn)介

熱電第一效應(yīng)是指兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，如果兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處溫度不同，該回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。兩種不同金屬組成閉合回路且結(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，指南針的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。不同的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）具有不同的自由電子密度，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體相互接觸時(shí)，在接觸面上的電子就會(huì)擴(kuò)散以消除電子密度的差異。

通常應(yīng)用于熱電偶，用來(lái)直接測(cè)量溫差，或者將金屬的一端設(shè)定到已知溫度來(lái)測(cè)另一端的溫度。當(dāng)幾個(gè)溫差電偶連接在一起時(shí)叫做熱電堆，用來(lái)制造更大的電壓。還可以用來(lái)鑒定合金的成分：將未知金屬和已知金屬連接，并保持溫度不變，根據(jù)測(cè)得的電壓可以算出未知金屬的塞貝克系數(shù)，從而判斷它的材料。

所謂的熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子(空穴)，由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。而這個(gè)效應(yīng)的大小，則是用稱為thermopower(Q)的參數(shù)來(lái)測(cè)量，其定義為Q=E/-dT(E為因電荷堆積產(chǎn)生的電場(chǎng)，dT則是溫度梯度)。三個(gè)基本熱電效應(yīng)：塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，珀?duì)栙N（Peltier）效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)。

塞貝克（Seebeck）效應(yīng)

塞貝克（Seeback）效應(yīng)，又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。 塞貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，該電勢(shì)差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個(gè)基本因素。 半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大，可用作溫差發(fā)電器。

珀?duì)栙N（Peltier）效應(yīng)

珀?duì)栙N（Peltier）效應(yīng)，又稱為第二熱電效應(yīng)，是指當(dāng)電流通過(guò)A 、B兩種金屬組成的接觸點(diǎn)時(shí)，除了因?yàn)殡娏髁鹘?jīng)電路而產(chǎn)生的焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生吸熱或放熱的效應(yīng)，它是塞貝克效應(yīng)的逆反應(yīng)。

由于焦耳熱與電流方向無(wú)關(guān)，因此珀?duì)栙N熱可以用反向兩次通電的方法測(cè)得。

湯姆遜效應(yīng)

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(lái)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(jiǎn)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(guò)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（稱為湯姆孫熱）?；蛘叻催^(guò)來(lái)，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(shì)差。這一現(xiàn)象后叫湯姆遜效應(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）。

湯姆遜效應(yīng)是導(dǎo)體兩端有溫差時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象，帕爾帖效應(yīng)是帶電導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生溫差（其中的一端產(chǎn)生熱量，另一端吸收熱量）的現(xiàn)象，兩者結(jié)合起來(lái)就構(gòu)成了塞貝克效應(yīng)。

熱電效應(yīng)包括下列三種基本效應(yīng)：

（1）第一熱電效應(yīng)，亦 稱為“塞貝克 （Seebeck） 效應(yīng)”。把兩種不同的 導(dǎo)體連接成閉合回路，如兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，則 回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，稱為“熱電勢(shì)”（圖1a）， 且溫度差越大，熱電勢(shì)亦越大。

（2）第二熱電效 應(yīng)，亦稱為“珀?duì)柼?（Peltier） 效應(yīng)”。當(dāng)電流通 過(guò)由兩種不同的金屬組成的回路時(shí)，在金屬導(dǎo)體中 除了產(chǎn)生焦耳熱之外，還要在接點(diǎn)吸收或放出一定 熱量——珀?duì)柼麩幔▓D1b）。

（3）第三熱電效 應(yīng)，亦稱為“湯姆遜 （Thompson） 效應(yīng)”。如果 使一金屬導(dǎo)體兩端保持恒定的溫差ΔT，在時(shí)間τ 內(nèi)通過(guò)電流i，則在兩端點(diǎn)間依電流方向不同放出 或吸收一定的熱量Q_T（湯姆遜熱） ，且Q_T=σiτΔT

式中 σ——湯姆遜系數(shù)。湯姆遜效應(yīng)是可逆的 （圖1c）。

（a）塞貝克效應(yīng)；（b）珀?duì)柼?yīng)； （c）湯姆遜效應(yīng)

溫差電效應(yīng)是由于不同種類固體的相互接觸而發(fā)生的熱電現(xiàn)象。它主要有三種效應(yīng)：塞貝克（Seebeck）效應(yīng)、帕爾貼（Peltier）效應(yīng)與湯姆遜（Thomson）效應(yīng)。

⑴塞貝克效應(yīng) 若將導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B的兩端相互緊密接觸組成環(huán)路，若在兩聯(lián)接處保持不同溫度T1與T2，則在環(huán)路中將由于溫度差而產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。在環(huán)路中流過(guò)的電流稱為溫差電流，這種由兩種物理性質(zhì)均勻的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的上述裝置稱為溫差電偶（或熱電偶），這是法國(guó)科學(xué)家塞貝克1821年發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，溫差電動(dòng)勢(shì)還有如下兩個(gè)基本性質(zhì)：①中間溫度規(guī)律，即溫差電動(dòng)勢(shì)僅與兩結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與兩結(jié)點(diǎn)之間導(dǎo)線的溫度無(wú)關(guān)。②中間金屬規(guī)律，即由A、B導(dǎo)體接觸形成的溫差電動(dòng)勢(shì)與兩結(jié)點(diǎn)間是否接入第三種金屬C無(wú)關(guān)。只要兩結(jié)點(diǎn)溫度T1、T2相等，則兩結(jié)點(diǎn)間的溫差電動(dòng)勢(shì)也相等。正是由于①、②這兩點(diǎn)性質(zhì)，溫差電現(xiàn)象如今才會(huì)被廣泛應(yīng)用。

⑵帕爾貼（Peltier）效應(yīng) 1834年帕爾貼發(fā)現(xiàn)，電流通過(guò)不同金屬的結(jié)點(diǎn)時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處有吸放熱量Qp的現(xiàn)象。吸熱還是放熱由電流方向確定，Qp稱為帕爾貼熱。其產(chǎn)生的速率與所通過(guò)的電流強(qiáng)度成正比，即

其中Π12稱帕爾貼系數(shù)，其大小等于在結(jié)點(diǎn)上每通過(guò)單位電流時(shí)所吸放的熱量。電流通過(guò)兩種不同金屬構(gòu)成的結(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)吸放熱的原因是在結(jié)點(diǎn)處集結(jié)了一個(gè)帕爾貼電動(dòng)熱，帕爾貼熱正是這電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流做正功或負(fù)功時(shí)所吸放的熱量?？紤]到不同的金屬具有不同的電子濃度和費(fèi)米能EF，兩金屬接觸后在結(jié)點(diǎn)處要引起不等量的電子擴(kuò)散，致使在結(jié)點(diǎn)處兩金屬間建立了電場(chǎng)，因而建立了電勢(shì)差（當(dāng)然，上述解釋僅考慮了產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象的某一方面因素，實(shí)際情況要復(fù)雜得多）。由此可見，帕爾貼電動(dòng)勢(shì)應(yīng)是溫度的函數(shù)，不同結(jié)的帕爾貼電動(dòng)勢(shì)對(duì)溫度的依賴關(guān)系也可不同。上述觀點(diǎn)也能用來(lái)解釋當(dāng)電流反向時(shí)，兩結(jié)對(duì)帕爾貼熱的吸放應(yīng)倒過(guò)來(lái)，因而是可逆的。一般金屬結(jié)的帕爾貼電勢(shì)為μV量級(jí)，而半導(dǎo)體結(jié)可比它大數(shù)個(gè)量級(jí)。

⑶湯姆孫效應(yīng) 1856年W·湯姆孫（即開爾文）用熱力學(xué)分析了塞貝克效應(yīng)和佩爾捷效應(yīng)后預(yù)言還應(yīng)有第三種溫差電現(xiàn)象存在。后來(lái)有人從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，如果在存在有溫度梯度的均勻?qū)w中通過(guò)電流時(shí)，導(dǎo)體中除了產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，還要吸收或放出一定的熱量，這一現(xiàn)象定名為湯姆孫效應(yīng)，所吸放的熱量稱為湯姆孫熱。湯姆孫熱與佩爾捷熱的區(qū)別是，前者是沿導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）作分布式吸放熱，后者在結(jié)點(diǎn)上吸放熱。湯姆孫熱也是可逆的，但測(cè)量湯姆孫熱比測(cè)量佩爾捷熱困難得多，因?yàn)橐褱穼O熱與焦耳熱區(qū)分開來(lái)較為困難。

⑷溫差發(fā)電器 溫差電現(xiàn)象主要應(yīng)用在溫度測(cè)量、溫差發(fā)電器與溫差電制冷三方面。

溫差發(fā)電是利用塞貝克效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)一對(duì)溫差電偶的兩結(jié)處于不同溫度時(shí)，熱電偶兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)就可作為電源。常用的是半導(dǎo)體溫差熱電偶；這是一個(gè)由一組半導(dǎo)體溫差電偶經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)制成的直流發(fā)電裝置。每個(gè)熱電偶由一N型半導(dǎo)體和一P型半導(dǎo)體串聯(lián)而成，兩者聯(lián)接著的一端和高溫?zé)嵩唇佑|，而N型和P型半導(dǎo)體的非結(jié)端通過(guò)導(dǎo)線均與低溫?zé)嵩唇佑|，由于熱端與冷端間有溫度差存在，使P的冷端有負(fù)電荷積累而成為發(fā)電器的陰極；N的冷端有正電荷積累而成為陽(yáng)極。若與外電路相聯(lián)就有電流流過(guò)。這種發(fā)電器效率不大，為了能得到較大的功率輸出，實(shí)用上常把很多對(duì)溫差電偶串、并聯(lián)成溫差電堆。

⑸溫差電制冷器 根據(jù)佩爾捷效應(yīng)，若在溫差電材料組成的電路中接入一電源，則一個(gè)結(jié)點(diǎn)會(huì)放出熱量，另一結(jié)點(diǎn)會(huì)吸收熱量。若放熱結(jié)點(diǎn)保持一定溫度，另一結(jié)點(diǎn)會(huì)開始冷卻，從而產(chǎn)生制冷效果。半導(dǎo)體溫差電制冷器也是由一系列半導(dǎo)體溫差電偶串、并聯(lián)而成。溫差電制冷由于體積十分小，沒(méi)有可動(dòng)部分（因而沒(méi)有噪音），運(yùn)行安全故障少，并且可以調(diào)節(jié)電流來(lái)正確控制溫度。它可應(yīng)用于潛艇、精密儀器的恒溫槽、小型儀器的降溫、血漿的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)合 。