热电效应
塞贝克效应
两种不同金属构成的回路中,如果两种金属的结点处温度不同,该回路中就会产生一个温差电动势。这就是塞贝克效应(Seebeck Effect)。
塞贝克发现,当两种不同金属组成闭合回路且结点处温度不同时,指南针的指针会发生偏转。于是他认为温差使金属产生了磁场。但是当时塞贝克并没有发现金属回路中的电流,所以他把这个现象叫做“热磁效应”。后来,丹麦物理学家汉斯·奥斯特重新研究了这个现象并称之为“热电效应”。
不同的金属导体(或半导体)具有不同的自由电子密度,当两种不同的金属导体相互接触时,在接触面上的电子就会扩散以消除电子密度的差异。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比,所以只要维持两金属间的温差,就能使电子持续扩散,在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。由此产生的电压通常每开尔文温差只有几微伏。
在以下电路中:
由塞贝克效应产生的电压可以表示成:
SA和SB是金属A和B的塞贝克系数,T1和T2是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。如果塞贝克系数在实验的温度范围内接近常数,以上方程可以近似成:
塞贝克效应通常应用于热电偶,用来直接测量温差,或者将金属的一端设定到已知温度来测另一端的温度。当几个温差电偶连接在一起时叫做热电堆,用来制造更大的电压。塞贝克效应还可以用来鉴定合金的成分:将未知金属和已知金属连接,并保持温度不变,根据测得的电压可以算出未知金属的塞贝克系数,从而判断它的材料。
帕尔帖效应
传统上有时称帕尔贴效应是塞贝克效应,但此说法并不严谨。
与塞贝克效应不同,帕尔贴效应可以产生在两种不同金属的交界面,或者一种多相材料的不同相界间,也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内。
当对上述三种材料嵌入回路中并施加电流时,金属1会对金属2或相1对相2,或浓度点C1与C2间)产生放热或吸热反应。
帕尔帖效应即为塞贝克效应的反效应,即当在两种金属回路中加入电源产生电势后,不同金属的接触点会有一个温差。
汤姆孙效应
当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。或者反过来,当一根金属棒的两端温度不同时,金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应(Thomson effect)
参见
传热
焦耳定律
热电堆
热电偶
参考文献
^Daniel D.Pollock. A-2 Thermoelectric phenomena. CRC Handbook of Thermoelectrics. 1995 by CRC Press LLC
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