热电效应简介

热电效应简介

总的热电效应由同时发生的五种不同效应组成。其中赛贝克、帕尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的。另外两种效应是热的不可逆效应,即焦耳和傅立叶效应。


1.1热电第一效应------赛贝克效应:
塞贝克(Seeback)效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。赛贝克最直接的应用是热电发电片。 为了说明塞贝克效应,让我们来看一下图1.1中热电偶闭合环路的简图。两种金属分别标记为材料X和材料Y。


赛贝克效应
图1.1


在典型的测量温度的应用中,热电偶A是作为参比温度而保持在一个相对较低的温度Tc。热电偶B端用来测量所需要的温度Th。当B端被加热时,在T1和T2两端会出现电压。这个电压V0,也被称为塞贝克电动势,
可以表示为V0=axy×(Th – Tc)。
其中,V0是输出电压,单位是V;
axy代表两种材料的塞贝克系数之差,单位是V/K;
Th和Tc分别表示热电偶的热端和冷端温度,单位是K。


1.2热电第二效应------帕尔帖效应

帕尔帖效应是指电流流过两种不同导体的界面时,将从外界吸收热量,或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应,帕尔帖效应最直接的应用就是半导体致冷片。

对帕尔帖效应的物理解释是: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。

如果将热电偶的闭合回路改成如图1.2所示,就可以获得一个完全相反的现象,我们称之为珀尔帖效应。


帕尔帖效应
图1.2


当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin,回路中会产生一个相应的电流I。接头A处的热量会被吸收,从而产生一个微弱的制冷现象,而在另一个接头B处,随着热量流入,温度会升高。鉴于这个效应是可逆的,所以如果将电流反向,热流的方向也随之反向。珀尔帖效应的数学公式可以表示成:
Qc或者Qh=pxy×I
其中,pxy代表两种材料x和y的珀尔帖系数之差,单位是V;
I是电流,单位是A;
Qc和Qh分别代表制冷和加热的速率,单位是w。
随着电流的流动,导体中同时也会产生焦耳热,大小可以用I2R(R是电路中的电阻)表示。这个焦耳热效应与珀尔帖效应相反,将导致制冷器制冷效果的降低。


1.3热电第三效应------汤姆逊效应

当电流在已经存在温差的导体中流动时,热量会被吸收或者被放出。而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料在这个过程中是吸收热量还是放出热量。这一现象,我们称为汤姆逊效应。汤姆逊效应在理论研究中非常有趣但是在实际的热电制冷器中却没有太大作用,所以我们一般忽略它。


1.4焦耳定律

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电的时间成正比。
焦耳定律数学表达式:
Q=I2×Rt 或热功率P=I2×R (适用于所有电路)
其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳(J)、安培(A)、欧姆(Ω)、秒(s)和瓦特(W)。


1.5傅立叶效应

傅立叶效应指单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。
Q=k(S/L)(Th-Tc)=KdT 其中:
k:导体的热导率;
K:导体的总热导;
Th:热端的绝对温度;
Tc:冷端的绝对温度

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