塞貝克效應(yīng)

塞貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后，人們就為它找到了應(yīng)用場(chǎng)所。利用塞貝克效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來測(cè)量溫度。只要選用適當(dāng)?shù)慕饘僮鳠犭娕疾牧?，就可輕易測(cè)量到從－180℃到 2000℃的溫度，如此寬泛的測(cè)量范圍，令酒精或水銀溫度計(jì)望塵莫及。熱電偶溫度計(jì)，甚至可以測(cè)量高達(dá) 2800℃的溫度！

熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，環(huán)路電壓VOUT為熱結(jié)點(diǎn)結(jié)電壓與冷結(jié)點(diǎn)（參考結(jié)點(diǎn)）結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，也就是說VOUT是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對(duì)應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。

國內(nèi)熱電材料測(cè)量起步較晚，但發(fā)展較快，seebeck系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要以自制和進(jìn)口儀器為主。主要國際廠商為日本ULBAC-RIKO、德國linseis和荷蘭Kryoz Technologies，日本ULBAC-RIKO進(jìn)入中國市場(chǎng)較早，早期用戶采用日本產(chǎn)品較多，但其并沒有在中國設(shè)立售后服務(wù)。

后期德國linseis進(jìn)入中國市場(chǎng)。

而在低溫范圍（75-298k），則主要是采用Kryoz Technologies的Cryolab系列。

另各研究機(jī)構(gòu)也有一些自行搭建的賽貝克系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，可惜未能規(guī)模商業(yè)化，國內(nèi)部分高校也自行搭建了seebeck系數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，但是精確度都不高 。

托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做“西伯克”）1770年生于塔林（當(dāng)時(shí)隸屬于東普魯士，現(xiàn)為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個(gè)具有瑞典血統(tǒng)的德國人，也許正因?yàn)槿绱耍膭?lì)兒子在他曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的柏林大學(xué)和哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。1802年，塞貝克獲得醫(yī)學(xué)學(xué)位。由于他所選擇的方向是實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)中的物理學(xué)，而且一生中多半時(shí)間從事物理學(xué)方面的教育和研究工作，所以人們通常認(rèn)為他是一個(gè)物理學(xué)家。

畢業(yè)后，塞貝克進(jìn)入耶拿大學(xué)，在那里結(jié)識(shí)了歌德。德國浪漫主義運(yùn)動(dòng)以及歌德反對(duì)牛頓關(guān)于光與色的理論的思想，使塞貝克深受影響，此后長期與歌德一起從事光色效應(yīng)方面的理論研究。塞貝克的研究重點(diǎn)是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學(xué)對(duì)太陽光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當(dāng)塞貝克從事應(yīng)力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時(shí)，他卻不曉得另外兩個(gè)科學(xué)家布魯斯特和比奧已經(jīng)搶先在這一領(lǐng)域里有了發(fā)現(xiàn)。

1818年前后，塞貝克返回柏林大學(xué)，獨(dú)立開展研究活動(dòng)，主要內(nèi)容是電流通過導(dǎo)體時(shí)對(duì)鋼鐵的磁化。當(dāng)時(shí)，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對(duì)鋼鐵的磁化效應(yīng)，賽貝克對(duì)不同金屬進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應(yīng)，也就是我們所說的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽光譜不同波段的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、偏振，以及電流的磁特性等等。

1820年代初期，塞貝克通過實(shí)驗(yàn)方法研究了電流與熱的關(guān)系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個(gè)電流回路。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個(gè)結(jié)加熱到很高的溫度而另一個(gè)結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場(chǎng)。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)結(jié)時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來的兩年里時(shí)間（1822～1823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報(bào)告給普魯士科學(xué)學(xué)會(huì)，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導(dǎo)致的金屬磁化”。

塞貝克確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，但他卻做出了錯(cuò)誤的解釋：導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的原因，是溫度梯度導(dǎo)致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。科學(xué)學(xué)會(huì)認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因?yàn)闇囟忍荻葘?dǎo)致了電流，繼而在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)。對(duì)于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學(xué)家們的眼睛讓奧斯特（電磁學(xué)的先驅(qū)）的經(jīng)驗(yàn)給蒙住了，所以他們只會(huì)用“磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生”的理論去解釋，而想不到還有別的解釋。但是，塞貝克自己卻難以解釋這樣一個(gè)事實(shí)：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以，多數(shù)人都認(rèn)可熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)，后來也就這樣被確定下來了 。

產(chǎn)生Seebeck效應(yīng)的機(jī)理，對(duì)于半導(dǎo)體和金屬是不相同的。

塞貝克效應(yīng)半導(dǎo)體效應(yīng)

產(chǎn)生Seebeck效應(yīng)的主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散的結(jié)果。例如p型半導(dǎo)體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴(kuò)散；在開路情況下，就在p型半導(dǎo)體的兩端形成空間電荷（熱端有負(fù)電荷，冷端有正電荷），同時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)；當(dāng)擴(kuò)散作用與電場(chǎng)的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動(dòng)勢(shì)——溫差電動(dòng)勢(shì)。自然，n型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數(shù)為負(fù)），相反，p型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數(shù)為正），因此利用溫差電動(dòng)勢(shì)的方向即可判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。

可見，在有溫度差的半導(dǎo)體中，即存在電場(chǎng)，因此這時(shí)半導(dǎo)體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級(jí)也是傾斜的；兩端Fermi能級(jí)的差就等于溫差電動(dòng)勢(shì)。

實(shí)際上，影響Seebeck效應(yīng)的因素還有兩個(gè)：

第一個(gè)因素是載流子的能量和速度。因?yàn)闊岫撕屠涠说妮d流子能量不同，這實(shí)際上就反映了半導(dǎo)體Fermi能級(jí)在兩端存在差異，因此這種作用也會(huì)對(duì)溫差電動(dòng)勢(shì)造成影響——增強(qiáng)Seebeck效應(yīng)。

第二個(gè)因素是聲子。因?yàn)闊岫说穆曌訑?shù)多于冷端，則聲子也將要從高溫端向低溫端擴(kuò)散，并在擴(kuò)散過程中可與載流子碰撞、把能量傳遞給載流子，從而加速了載流子的運(yùn)動(dòng)——聲子牽引，這種作用會(huì)增加載流子在冷端的積累、增強(qiáng)Seebeck效應(yīng)。

半導(dǎo)體的Seebeck效應(yīng)較顯著。一般，半導(dǎo)體的Seebeck系數(shù)為數(shù)百μV/K，這要比金屬的高得多。

塞貝克效應(yīng)金屬效應(yīng)

因?yàn)榻饘俚妮d流子濃度和Fermi能級(jí)的位置基本上都不隨溫度而變化，所以金屬的Seebeck效應(yīng)必然很小，一般Seebeck系數(shù)為0～10μV/K。

雖然金屬的Seebeck效應(yīng)很小，但是在一定條件下還是可觀的；實(shí)際上，利用金屬Seebeck效應(yīng)來檢測(cè)高溫的金屬熱電偶就是一種常用的元件。

產(chǎn)生金屬Seebeck效應(yīng)的機(jī)理較為復(fù)雜，可從兩個(gè)方面來分析：

①電子從熱端向冷端的擴(kuò)散。然而這里的擴(kuò)散不是濃度梯度（因?yàn)榻饘僦械碾娮訚舛扰c溫度無關(guān)）所引起的，而是熱端的電子具有更高的能量和速度所造成的。顯然，如果這種作用是主要的，則這樣產(chǎn)生的Seebeck效應(yīng)的系數(shù)應(yīng)該為負(fù)。

②電子自由程的影響。因?yàn)榻饘僦须m然存在許多自由電子，但對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的卻主要是Fermi能級(jí)附近2kT范圍內(nèi)的所謂傳導(dǎo)電子。而這些電子的平均自由程與遭受散射（聲子散射、雜質(zhì)和缺陷散射）的狀況和能態(tài)密度隨能量的變化情況有關(guān)。

如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而增大的話，那么熱端的電子將由于一方面具有較大的能量，另一方面又具有較大的平均自由程，則熱端電子向冷端的輸運(yùn)則是主要的過程，從而將產(chǎn)生Seebeck系數(shù)為負(fù)的Seebeck效應(yīng)；金屬Al、Mg、Pd、Pt等即如此。

相反，如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而減小的話，那么熱端的電子雖然具有較大的能量，但是它們的平均自由程卻很小，因此電子的輸運(yùn)將主要是從冷端向熱端的輸運(yùn)，從而將產(chǎn)生Seebeck系數(shù)為正的Seebeck效應(yīng)；金屬Cu、Au、Li等即如此。塞貝克效應(yīng)電勢(shì)差的計(jì)算公式：

塞貝克后來還對(duì)一些金屬材料做出了測(cè)量，并對(duì)35種金屬排成一個(gè)序列（即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-……），并指出，當(dāng)序列中的任意兩種金屬構(gòu)成閉合回路時(shí)，電流將從排序較前的金屬經(jīng)熱接頭流向排序較后的金屬。

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），這是法國科學(xué)家塞貝克1821年發(fā)現(xiàn)的。后來發(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)上每通過單位電流時(shí)所吸放的熱量。電流通過兩種不同金屬構(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)倒過來，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極。若與外電路相聯(lián)就有電流流過。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，沒有可動(dòng)部分（因而沒有噪音），運(yùn)行安全故障少，并且可以調(diào)節(jié)電流來正確控制溫度。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 。

如果兩種不同的導(dǎo)體連接成回路，且兩接頭的溫度T1和T2不同時(shí)，則回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),會(huì)有電流出現(xiàn)。此現(xiàn)象是T.J.塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)的。溫差電動(dòng)勢(shì)與兩接頭的溫度勢(shì)及兩種材料的性質(zhì)有關(guān)，可用溫差電動(dòng)勢(shì)率S12，即單位溫差產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來描述這一效應(yīng)。

土塞高度及其閉塞程度與土性、管徑、壁厚及進(jìn)入持力層的深度有關(guān),當(dāng)以粘性土為持力層時(shí),因粘性土的壓縮模量低,土塞的高度大,樁端土大量涌入管內(nèi),樁端土處于未完全閉塞狀態(tài),閉塞程度主要隨樁進(jìn)入持力層的深度增大而增大,隨樁管內(nèi)徑增大而降低。