熱電效應

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熱電效應是一個由溫差產生電壓的直接轉換,且反之亦然。簡單的放置一個熱電裝置,當他們的兩端有溫差時會產生一個電壓,而當一個電壓施加於其上,他也會產生一個溫差。這個效應可以用來產生電能、測量溫度,冷卻或加熱物體。因為這個加熱或製冷的方向決定於施加的電壓,熱電裝置讓溫度控制變得非常容易。

一般來說,熱電效應這個術語包含了三個分別經定義過的效應,塞貝克效應(Seebeck effect,由Thomas Johann Seebeck發現 。)、帕爾帖效應(Peltier effect,由Jean-Charles Peltier發現。),與湯姆森效應(Thomson effect,由威廉·湯姆森發現)。在很多教科書上,熱電效應也被稱為帕爾帖-塞貝克效應(Peltier–Seebeck effect)。它同時由法國物理學家晉·查理·阿提鞍斯·帕爾帖(Jean Charles Athanase Peltier)與愛沙尼亞裔德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克 (Thomas Johann Seebeck)分別獨立發現。 還有一個術語叫焦耳加熱,也就是說當一個電壓通過一個阻抗物質上,即會產生熱,它是多少有關係的,儘管它不是一個普通的熱電效應術語(由於熱電裝置的非理想性,它通常被視為一個產生損耗的機制)。帕爾帖-塞貝克效應與湯姆森效應是可逆的,但是焦耳加熱不可逆。

塞貝克效應[編輯]

兩種不同金屬構成的迴路中,如果兩種金屬的結點處溫度不同,該迴路中就會產生一個溫差電動勢。這就是塞貝克效應(Seebeck Effect)。

塞貝克發現,當兩種不同金屬組成閉合迴路且結點處溫度不同時,指南針的指針會發生偏轉。於是他認為溫差使金屬產生了磁場。但是當時塞貝克並沒有發現金屬迴路中的電流,所以他把這個現象叫做「熱磁效應」。後來,丹麥物理學家漢斯·奧斯特重新研究了這個現象並稱之為「熱電效應」。

不同的金屬導體(或半導體)具有不同的自由電子密度,當兩種不同的金屬導體相互接觸時,在接觸面上的電子就會擴散以消除電子密度的差異。而電子的擴散速率與接觸區的溫度成正比,所以只要維持兩金屬間的溫差,就能使電子持續擴散,在兩塊金屬的另兩個端點形成穩定的電壓。由此產生的電壓通常每克耳文溫差只有幾微伏

在以下電路中:

Seebeck effect circuit 2.svg

由塞貝克效應產生的電壓可以表示成:

V = \int_{T_1}^{T_2} \left( S_\mathrm{B}(T) - S_\mathrm{A}(T) \right) \, dT.

SASB是金屬A和B的塞貝克係數T1T2是兩塊金屬結合處的溫度。塞貝克係數取決於溫度和材料的分子結構。如果塞貝克係數在實驗的溫度範圍內接近常數,以上方程式可以近似成:

V = (S_\mathrm{B} - S_\mathrm{A}) \cdot (T_2 - T_1).

帕爾帖效應[編輯]

傳統上有時稱帕爾貼效應是塞貝克效應,但此說法並不嚴謹。

與塞貝克效應不同,帕爾貼效應可以產生在兩種不同金屬的交界面,或者一種多相材料的不同相界間,也可以產生在非勻質導體的不同濃度梯度範圍內。

當對上述三種材料嵌入迴路中並施加電流時,金屬1會對金屬2或相1對相2,或濃度點C1與C2間)產生放熱或吸熱反應。[1]

帕爾帖效應即為塞貝克效應的反效應,即當在兩種金屬迴路中加入電源產生電勢後,不同金屬的接觸點會有一個溫差。

湯姆森效應[編輯]

當電流在溫度不均勻的導體中流過時,導體除產生不可逆的焦耳熱之外,還要吸收或放出一定的熱量(稱為湯姆森熱)。或者反過來,當一根金屬棒的兩端溫度不同時,金屬棒兩端會形成電勢差。這一現象後叫湯姆森效應(Thomson effect)

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Daniel D.Pollock. A-2 Thermoelectric phenomena. CRC Handbook of Thermoelectrics. 1995 by CRC Press LLC