温差电效应

温差电效应

Thermoelectric Effect

大家知道能量是可以互相转换的。水电站发电把机械能转化为电能，电动机工作则是将电能转化为机械能；两物体做摩擦运动把机械能转化为热能，热机做功则把热能转化为机械能。类似能量间的互相转化，还可以举出很多例子。通常情况下，能量间的互相转化需要两种设备。但是，早在100多年前，科学家们发现了一种温差电效应，利用该效应可以实现热能与电能之间的互相直接转换。当然，它的真正应用是在半导体技术获得发展之后。

温差电效应包括三种相互关联的现象：塞贝克（Seebeck）效应、帕尔贴（Peltier）效应与汤姆孙（Thomson）效应。

实验装置

温差电效应演示仪如图1所示，其中烧杯1只，温度计2只，电炉或酒精灯1只，保温杯1只，显示系统1个，冰块若干。

图1　温差电效应演示实验仪示意图

现象观察

1.温差电动势的观察

烧杯中放热水，保温杯中放冰水混合液，热电偶两端分别浸入这两种液体中，同时热电偶接显示系统。用电炉或酒精灯加热热水杯，从显示系统观察电动势的变化情况，如图1所示。

2.制冷现象的观察

对上述实验仪做如下改装，打开电源给热电偶通电，用电炉或酒精灯加热热水杯，使烧杯中的水温不断升高，同时从插入保温杯中温度计的读数可知道保温杯中的水温在持续下降，达到制冷的效果，如图2所示。

图2　利用温差电效应制冷示意图

现象解密

不同的金属（或半导体）材料具有不同的电子浓度，当它们接触时，在接触面上就会发生电子扩散，电子的扩散速率与两种材料的电子浓度差有关，并与接触面的温度成正比。

假定金属材料A和B的电子浓度分别为N_A和N_B，若N_A＞N_B，电子扩散的结果使材料A失去电子而带正电、材料B获得电子而带负电，如图3所示。在接触面形成电场，这个电场将阻碍电子的继续扩散。最后扩散力与电场力达到动态平衡，在接触面形成一个稳定的电位差，称为接触电动势。

将两种不同的金属A和B两端分别紧密接触组成一个回路，如图4所示。如果两连接处（称为结点）的温度不同，则接触电动势不同，回路中产生温差电动势和热电流，这就是温差电偶或热电偶的基本结构。该现象由德国物理学家塞贝克(1770—1831)于1821年首先发现，因此也被称为塞贝克效应。

图3　接触电动势

图4　温差电偶或热电偶的结构示意图

在一定的温度范围内，温差电动势在数值上正比于两连接处的温度差。一般金属的接触电动势为每开尔文温差只有几微伏，而半导体可比它大数个量级。

塞贝克效应存在反效应——帕尔贴效应，由法国科学家帕尔贴(1785—1845)于1934年发现。这是一种当电流通过不同金属的接触面时，在接触处发生吸收或释放热量（帕尔贴热）的现象。吸热还是放热由电流方向决定，吸收和放出的热量与通过该处的电流密度成正比。帕尔贴效应产生的原因是：电流通过不同金属的接触面时，接触电动势对电流要做正功或负功，因此要吸收或释放热量。该效应可逆，即当电流反向时，接触面处的吸热将变为放热或反之。

1856年，英国物理学家汤姆孙（1824—1909）在塞贝克效应和帕尔贴效应的基础上预言了第三种温差电现象——汤姆孙效应，后来又有人用实验验证了该现象：在存在有温度梯度的均匀导体中通过电流时，导体中除了产生不可逆的焦耳热外，还要吸收或放出一定的热量。汤姆孙效应也是可逆的，电流反向，则吸放热倒过来。

应用拓展

温差发电是利用塞贝克效应把热能转化为电能。当一对温差电偶的两接触面处于不同温度时，其两端的温差电动势就可作为电源。

温差电制冷器是根据帕尔贴效应制成的。如果在温差电材料组成的电路中接入电源，则在一个接触面处放出热量，在另一个接触面处吸收热量。假定保持放热接触面的温度，则另一接触面就会冷却，从而产生制冷效果。温差电制冷器体积小、无噪音、运行安全，并可通过调节电流大小来准确控制温度，因此它常被应用于潜艇、精密仪器的恒温槽、小型仪器的降温、血浆的储存和运输等场合。

思考题

1.问：你能举出几个温差电效应的应用实例吗？

2.如果把实验装置做如下改装（见图5），热电偶两端分别放在烧杯的热水和保温杯的冰水混合液中，不对烧杯加热，而是打开电源使热电偶通电，问烧杯中的水温将如何变化？

图5　温差电效应改装实验

3.图6是由两块半导体材料组成的发电机，P型半导体与N型半导体的两端分别接触热源与冷源，试分析其发电原理。

图6　半导体发电机示意图

4.图7利用反射聚光镜反射太阳光来加热铜导热板，从而实现发电的目的。你也能利用温差电效应设计一款应用于我们日常生活中的产品吗？

图7　太阳能发电示意图