熱電熱電性

當(dāng)?shù)V物溫度變化時(shí)，在晶體的某些結(jié)晶方向產(chǎn)生電荷的性質(zhì)稱為熱電性。

礦物的熱電性主要存在于無對(duì)稱中心、具有極性軸的介電質(zhì)礦物晶體中。如電氣石、方硼石。

熱電性是指寶石礦物在外界溫度變化時(shí)，在晶體的某些方向產(chǎn)生電荷的性質(zhì)。熱電性最初發(fā)現(xiàn)于石英中。

熱釋電材料如鈦酸鉛、硫酸三甘肽具有材料表面在受熱情況下出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于此類物質(zhì)的分子有自發(fā)極化作用形成電偶極子在物體表面吸附環(huán)境中的靜電荷達(dá)到中和，但溫度變化下其自發(fā)極化強(qiáng)度相應(yīng)改變從而在物體表面出現(xiàn)多余的電荷，我們稱材料的這種表現(xiàn)為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)是熱電性的一個(gè)重要方面。

熱電比即熱電廠發(fā)熱量和發(fā)電量的比值。根據(jù)《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》，要求供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽流既發(fā)電又供熱的常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)，應(yīng)符合下列指標(biāo)：

A、 所有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總熱效率年平均大于45%。熱效率=（供熱量 供電量X 3600千焦/千瓦時(shí)）/（燃料總消耗量X燃料單位低位熱值）X 100%。

B、 單機(jī)容量在5萬千瓦以下的熱電機(jī)組，其熱電比年平均應(yīng)大于100%；單機(jī)容量在5萬千瓦至20萬千瓦以下的熱電機(jī)組，其熱電比年平均應(yīng)大于50%；單機(jī)容量20萬千瓦及以上抽汽凝汽兩用供熱機(jī)組，采暖期熱電比應(yīng)大于50%。熱電比=供熱量/（供電量X 3600千焦/千瓦時(shí)）X 100%。

注：供熱量單位采用千焦，供電量單位采用千瓦時(shí)，燃料總消耗量單位采用千克，燃料單位低位熱值千焦/千克，這兩個(gè)條件是衡量熱電機(jī)組是否達(dá)標(biāo)的必備條件。

熱電堆是由多個(gè)熱電偶的串聯(lián)而成。

熱電堆的結(jié)構(gòu)：輻射接收面分為若干塊，每塊接一個(gè)熱電偶，把它們串聯(lián)起來，就構(gòu)成熱電堆。按用途不同，實(shí)用的熱電堆可以制成細(xì)絲型和薄膜型，亦可制成多通道型和陣列型器件。

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（稱為湯姆孫熱）?；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(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)合起來就構(gòu)成了塞貝克效應(yīng)。

將兩塊不同的金屬（如銅和鐵）靠在一起時(shí)，由于兩金屬中自由電子濃度的不同，使得電子從一金屬向另一金屬擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，電子轉(zhuǎn)移量與金屬所處的溫度有關(guān)。如果將兩塊金屬處于同一溫度，那么電子轉(zhuǎn)移會(huì)達(dá)到一種平衡，這種平衡使得兩金屬的接觸界面上產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)。溫度不同，接觸電勢(shì)也不同，根據(jù)接觸電勢(shì)的大小，可以測(cè)量觸點(diǎn)所處的溫度，這種裝置稱為熱電偶。如果將兩個(gè)類似于熱電偶的金屬接觸面置于不同的溫度下，并用導(dǎo)線將它們連接起來形成閉合回路，那么，在導(dǎo)線中將會(huì)產(chǎn)生不間斷的電流，這就是最簡單的溫差發(fā)電。

熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1834年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。如隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動(dòng)，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對(duì)這些應(yīng)用尤其合適。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快, 世界能源短缺和枯竭已經(jīng)成為每個(gè)國家不容忽視的問題, 嚴(yán)重制約著社會(huì)長期穩(wěn)定發(fā)展。研究和開發(fā)新能源已經(jīng)成為全球能源發(fā)展的趨勢(shì)。生活中有許多耗費(fèi)能源所生成、卻又被廢棄的熱能，例如：汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等。如果能將這些熱能善加利用，即可成為再次使用的能源；電能是最廣泛使用的能源形式,但是發(fā)電的主要形式還是化石能源，這些能源的使用在給我們帶來便利的同時(shí)，也帶來了全球關(guān)注的環(huán)境問題；現(xiàn)代制冷技術(shù)給人們生活帶來了很多便利，但是氟里昂制冷劑所帶來的環(huán)境問題卻不容忽視。熱電材料以其獨(dú)特的性能成為一種很有發(fā)展前途的功能材料, 它的應(yīng)用包括溫差發(fā)電和溫差制冷。什么是熱電材料呢？熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。人們對(duì)熱電材料的認(rèn)識(shí)具有悠久的歷史。1823年，德國人塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)了材料兩端的溫差可以產(chǎn)生電壓，也就是通常所說的溫差電現(xiàn)象。1834年，法國鐘表匠珀耳帖（Peltier）在法國《物理學(xué)和化學(xué)年鑒》上發(fā)表了他在兩種不同導(dǎo)體的邊界附近（當(dāng)有電流流過時(shí)）所觀察到的溫差反常的論文。這兩個(gè)現(xiàn)象表明了熱可以致電，而同時(shí)電反過來也能轉(zhuǎn)變成熱或者用來制冷，這兩個(gè)現(xiàn)象分別被命名為塞貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)。它們?yōu)闊犭娔芰哭D(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。 2100433B

熱電堆是一種熱釋紅外線傳感器 ，它是由熱電偶構(gòu)成的一種器件。它在耳式體溫計(jì)、放射溫度計(jì)、電烤爐、食品溫度檢測(cè)等領(lǐng)域中，作為溫度檢測(cè)器件獲得了廣泛的應(yīng)用。

由兩個(gè)或多個(gè)熱電偶串接組成，各熱電偶輸出的熱電勢(shì)是互相疊加的。

用于測(cè)量小的溫差或平均溫度。

熱電堆的結(jié)構(gòu)：輻射接收面分為若干塊，每塊接一個(gè)熱電偶，把它們串聯(lián)起來，就構(gòu)成熱電堆。按用途不同，實(shí)用的熱電堆可以制成細(xì)絲型和薄膜型，亦可制成多通道型和陣列型器件。

熱電偶是基于一種熱電效應(yīng)——Seebeck效應(yīng)來工作的溫差電元件。

熱電偶主要有半導(dǎo)體熱電偶和金屬熱電偶兩大類。雖然半導(dǎo)體的Seebeck效應(yīng)比金屬的強(qiáng)得多，但是在較高溫度下使用的熱電偶則往往是金屬熱電偶。

基本結(jié)構(gòu)和工作原理

把兩根不同材料的兩個(gè)端頭焊接（電焊、銅焊或錫焊）起來，即構(gòu)成一個(gè)熱電偶。當(dāng)一個(gè)端頭較熱、另一個(gè)端頭較冷時(shí)，由于Seebeck效應(yīng)即將在熱電偶的開路端產(chǎn)生出溫差電動(dòng)勢(shì)（在閉路熱電偶中產(chǎn)生出溫差電流）；因?yàn)楫a(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)與兩個(gè)端頭之間的溫度差（溫度梯度）成正比（比例系數(shù)為Seebeck系數(shù)），所以，如果固定一個(gè)端頭（參考極）的溫度不變，那么由熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)大小即可得知另一個(gè)端頭（傳感器）的溫度，從而可把熱電偶作為溫度傳感器使用。

在用熱電偶檢測(cè)溫度時(shí)，首先需要把一個(gè)端頭固定在不變的參考溫度上，一般是采用0oC作為參考溫度（可方便的利用冰來得到），如果要求檢測(cè)精度不高時(shí)，也可采用室溫作為參考溫度。熱電偶的幾種連接方式（A和B是兩種不同的熱電偶材料，C是普通的金屬導(dǎo)線）：（a）是將一種熱電材料斷開；（b）和（c）都是采用了另外的常規(guī)導(dǎo)線來代替熱電材料，以延長長度；（d）是用室溫作為參考溫度。Vs是溫差電動(dòng)

常用的熱電偶材料和特性

實(shí)際上使用熱電偶時(shí)需要考慮其工作溫度范圍和靈敏度（通常選取為5～90mV/oC）。幾種典型的金屬熱電偶的成分和使用溫度范圍，列出在表1中；金屬熱電偶的T、J、E、K、R、S、B等類型，分別采用不同成分的材料制成，并且它們的工作溫度范圍各異。相應(yīng)的典型金屬熱電偶的輸出溫差電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系。

熱電偶的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)實(shí)耐用、價(jià)格低廉、使用方便、覆蓋溫度范圍寬廣，故被廣泛地用作為溫度傳感器。

熱電偶的缺點(diǎn)：靈敏度較低；精度低；需要參考溫度；響應(yīng)速度慢（為ms數(shù)量級(jí)）。

內(nèi)容簡介

王健石、朱炳林主編的《熱電偶與熱電阻技術(shù)手冊(cè)(計(jì)量器具技術(shù)手冊(cè))》全面、系統(tǒng)地介紹了工業(yè)最常用的各種熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償電纜、各種熱電阻的型號(hào)、規(guī)格以及相關(guān)的大量的技術(shù)數(shù)據(jù)。內(nèi)容包括：廉金屬熱電偶絲及分度表，貴金屬熱電偶絲及分度表，熱電偶結(jié)構(gòu)型式及熱電偶電纜，熱電偶材料試驗(yàn)方法，熱電偶、熱電阻檢定規(guī)程，熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償電纜，熱電阻。

《熱電偶與熱電阻技術(shù)手冊(cè)(計(jì)量器具技術(shù)手冊(cè))》可供溫度測(cè)試，熱電偶和熱電阻生產(chǎn)、計(jì)量、檢驗(yàn)、維修等技術(shù)人員和工人使用，可作為圖書館上架圖書。

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