热电效应基本原理

1热电效应及热电温差电池一、热电效应基本原理二、热电效应应用举例三、热电发电原理四、热电材料简介一、热电效应基本原理2热电效应SeebeckEffect赛贝克效应Peltiereffect帕尔帖效应Thomson汤姆逊效应一、热电效应基本原理3SeebeckEffect（1821）——热电第一效应德国科学家Seebeck（1770-1831）两种不同材料AB组成的回路，且两端接触点温度不同时，则在回路中存在电动势的效应。一、热电效应基本原理4导体两端的电势差：SeebeckEffect（1821）——热电第一效应21()ABABVSTTST相对赛贝克系数：0limABTVdVSTdT(热电动势，thermalelectromotiveforce)(温差电势率或热电能，thermoelectricpower)ABBASSS绝对赛贝克系数：emfEdVSTdT一、热电效应基本原理5PeltierEffect（1834）——热电第二效应法国科学家Peltier（1785-1845）两种不同材料AB组成的回路，通过电流时根据电流方向的不同在接触点出现降温或者升温现象。一、热电效应基本原理6PeltierEffect（1834）——热电第二效应帕尔贴系数：abQIPeltierEffect利用电动势获得电流，对一个接触端进行加热，对另一个接触端进行冷却。帕尔贴系数的符号取决于接触端是被加热还是被冷却。一、热电效应基本原理7英国科学家WilliamThomson(LordKelvin)（1824-1907）当单一导体或半导体在两端有温差以及有电流通过时，会在此导体或半导体上产生吸热或放热的现象ThomsonEffect（1855）——热电第三效应一、热电效应基本原理8ThomsonEffect（1855）——热电第三效应汤姆逊系数：0limTQIT一、热电效应基本原理9KelvinRelationsSeebeck系数和Peltier系数：ABBAAB(S-S)T=STSeebeck系数和Thomson系数：dSτ=TdT一、热电效应基本原理10加热无温度梯度时有温度梯度时相同数目的电子发生电子扩散的动态热平衡电子的流动传递电荷和热量热电效应：是温差与电压的相互转换现象。当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。一、热电效应基本原理热电效应的物理学解释：SeebeckEffect（半导体）：•热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为正），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为负），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。•半导体的Seebeck效应较显著。一般，半导体的Seebeck系数为数百mV/K，这要比金属的高得多。11一、热电效应基本原理12热电效应的物理学解释：SeebeckEffect（半导体）：dVS=NS,0dTSTPS,>0-型半导体型半导体一、热电效应基本原理三大热电效应的物理学解释：SeebeckEffect（金属）：•电子从热端向冷端的扩散。然而这里的扩散不是浓度梯度（因为金属中的电子浓度与温度无关）所引起的，而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的。显然，如果这种作用是主要的，则这样产生的Seebeck效应的系数应该为负。•电子自由程的影响。因为金属中虽然存在许多自由电子，但对导电有贡献的却主要是Fermi能级附近2kT范围内的所谓传导电子。而这些电子的平均自由程与遭受散射（声子散射、杂质和缺陷散射）的状况和能态密度随能量的变化情况有。•如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端的电子将由于一方面具有较大的能量，另一方面又具有较大的平均自由程，则热端电子向冷端的输运则是主要的过程，从而将产生Seebeck系数为负的Seebeck效应；金属Al、Mg、Pd、Pt等即如此。13一、热电效应基本原理三大热电效应的物理学解释：SeebeckEffect（金属）：•相反，如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的话，那么热端的电子虽然具有较大的能量，但是它们的平均自由程却很小，因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运，从而将产生Seebeck系数为正的Seebeck效应；金属Cu、Au、Li等即如此。•因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的Seebeck效应必然很小，一般Seebeck系数为0～10mV/K。14一、热电效应基本原理三大热电效应的物理学解释：PeltierEffect：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。ThomsonEffect：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便形成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。15P0;N0型硅型硅二、热电效应应用举例16热探针图解热探针能带图N型半导体：显示电流为正P型半导体：显示电流为负热探针（SeebeckEffect）热电偶（SeebeckEffect）热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB二、热电效应应用举例17结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电偶（SeebeckEffect）二、热电效应应用举例•接触电动势：若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。•对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：•接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。18热电偶（SeebeckEffect）BAABNNlnekTTe二、热电效应应用举例19热电偶（SeebeckEffect）•温差电动势：高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。dTTTeTTAA00，eA(T，T0)—导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0—高、低温端的绝对温度；σA—赛贝克系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势。dTTTeTTBB00，•回路总电动势：二、热电效应应用举例20热电偶（SeebeckEffect）ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)00000000,,,lnlnABABABBATATATTBTBTETTeTeTeTTeTTkTNNkTdTeNeNＢＡ－－－－二、热电效应应用举例21热电偶（SeebeckEffect）•由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。NAT和NAT0可记做NA，NBT和NBT0可记做NB，则有•在标定热电偶时，一般使T0为常数，则()()()()BAABABABNNlnTTekTeTeT,TE000=≈－－CTfTeTeT,TEABABAB－－00二、热电效应应用举例22热电制冷（PeltierEffect）施加电流（电子的漂移）将热量从热源送至冷源二、热电效应应用举例23热电制冷（PeltierEffect）N型热电材料：比如BiTe当电子在金属导体（如铜）内漂移至N型半导体的冷侧时，电子需要提升至更高能量以进入半导体材料，此时电子从外界吸收热量。当电子离开N型半导体的热侧进入金属导体时，电子会降至更低能量，从而向外界释放热量。二、热电效应应用举例24热电制冷（PeltierEffect）P型热电材料：当电子由金属导体（如铜）进入P型半导体热侧时，电子会对空穴进行填充同时降至较低能级，从而向外界释放热量。当电子离开P型半导体冷侧进入金属导体时，电子被提升至较高能级同时从外界吸收热量。二、热电效应应用举例25热电制冷（PeltierEffect）•最有效的制冷结构是同时采用P型和N型热电组件，如右图所示。两种组件在电学上是串联形式，但在热学上是并联形式。•器件一侧接触热源，另一侧接触散热器，从而形成与周围环境的热量对流。•面向热源的一侧称为冷侧，而面向散热器的一侧称为热侧。