熱電效應(yīng)
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熱電效應(yīng)的實(shí)例教程
溫差發(fā)電.rar
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熱電效應(yīng)
1834年法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭變熱，另一個(gè)接頭變冷。這說(shuō)明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過(guò)時(shí)，兩個(gè)接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象。這就是熱電制冷的依據(jù)。溫差發(fā)電 半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢(shì)可以成功地用來(lái)做成小型熱電制冷器。圖1示出N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導(dǎo)線將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接成一個(gè)回路，銅板和銅導(dǎo)線只起導(dǎo)電的作用。此時(shí)，一個(gè)接點(diǎn)變熱，一個(gè)接點(diǎn)變冷。如果電流方向反向，那么結(jié)點(diǎn)處的冷熱作用互易。熱電制冷器的產(chǎn)冷量一般很小，所以不宜大規(guī)模和大制冷量使用。但由于它的靈活性強(qiáng)，簡(jiǎn)單方便冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的用冷場(chǎng)所。熱電制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，在無(wú)外磁場(chǎng)存在時(shí)，它包括五個(gè)效應(yīng)，導(dǎo)熱、焦耳熱損失、西伯克(Seebeck)效應(yīng)、帕爾帖(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。一般的冷氣與冰箱運(yùn)用氟氯化物當(dāng)冷媒，造成臭氧層的被破壞.無(wú)冷媒冰箱(冷氣)因而是環(huán)境保護(hù)的重要因素.利用半導(dǎo)體之熱電效應(yīng)，可制造一個(gè)無(wú)冷媒的冰箱。這種發(fā)電方法是將熱能直接轉(zhuǎn)變成電能，其轉(zhuǎn)變效率受熱力學(xué)第二定律即柯諾特效率(Carnotefficiency)的限制.早在1822年西伯即已發(fā)現(xiàn)，因而熱電效應(yīng)又叫西伯效應(yīng)(Seebeckeffect) [1]
塞貝克效應(yīng)
塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）又稱(chēng)作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢(shì)方向?yàn)椋涸跓岫穗娮佑韶?fù)流向正。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱(chēng)為熱電流。
展開(kāi) 【引言】
Bi-Te基材料在近室溫熱電領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其具有較低的帶隙。但在高溫下，其雙極效應(yīng)顯著增加，進(jìn)而降低塞貝克系數(shù)(S)并導(dǎo)致較小的ZT值。為了降低雙極效應(yīng)，需要對(duì)塊體材料進(jìn)行載流子調(diào)制，可通過(guò)摻雜或引入載流子濾波效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。載流子濾波效應(yīng)是指低能電荷載流子的選擇性濾波和增加主載流子的平均能量，使得載流子濃度相同的情況下塞貝克系數(shù)更高。盡管載流子濾波能在寬溫程內(nèi)有效增強(qiáng)塞貝克系數(shù)，但是在界面處選擇最優(yōu)材料以獲得理想的載流子濾波以及確保納米級(jí)(<50nm)過(guò)濾位點(diǎn)在本體內(nèi)的良好分散的制造工藝仍具有一定挑戰(zhàn)。此外，降低雙極效應(yīng)的另一種方法是增加載流子濃度，可通過(guò)摻雜Cu或Pb來(lái)實(shí)現(xiàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，韓國(guó)陶瓷工程與技術(shù)研究所Weon Ho Shin研究員和首爾市立大學(xué)Sang-il Kim教授(共同通訊作者)等采用熔融紡絲(MS)和放電等離子體燒結(jié)(SPS)工藝制備了Cu摻雜Bi-Te基材料，研究了其增強(qiáng)熱電性能，并在Acta Mater.上發(fā)表了題為“High Thermoelectric Performance of Melt-spun CuxBi0.5Sb1.5Te3 by Synergetic Effect of Carrier Tuning and Phonon Engineering”的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)，改變摻雜量可以調(diào)節(jié)熱電性能的溫度依賴(lài)性，其中最大ZT溫度可以從室溫升至450K。2% Cu摻雜的Bi0.5Sb1.5Te3在400K時(shí)達(dá)到最高ZT值1.34，應(yīng)歸因于功率因子的增強(qiáng)和晶格熱導(dǎo)率的降低。
展開(kāi) 熱電器件是利用半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間直接轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件，其在極端條件下的熱能發(fā)電、微區(qū)域局部溫度調(diào)控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。有機(jī)聚合物熱電材料因其低熱導(dǎo)率、可溶液加工、以及輕薄柔性等特點(diǎn)在下一代熱電器件中有巨大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，以聚(3,4-二氧乙撐噻吩)為代表的p型聚合物熱電材料的研究取得了重大的進(jìn)展，其熱電性能可以媲美性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)熱電材料。然而，聚合物熱電器件中不可或缺的另一半 — n型聚合物熱電材料，其研究進(jìn)展較為緩慢，熱電性能普遍低于p型熱電材料。如何通過(guò)n型聚合物分子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)提高熱電性能是聚合物熱電材料領(lǐng)域研究的關(guān)鍵。
圖1 半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)以及利用熱電效應(yīng)工作的兩類(lèi)熱電器件：溫差發(fā)電機(jī)和主動(dòng)制冷器。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅(jiān)-王婕妤課題組與中科院化學(xué)所朱道本-狄重安課題組合作設(shè)計(jì)發(fā)展了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過(guò)引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協(xié)同作用大幅度提高了聚合物的n型電導(dǎo)率。通過(guò)進(jìn)一步提高聚合物的塞貝克系數(shù)，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。
聚合物的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。在給體片段上引入氟原子降低了聚合物的前線軌道能級(jí)，同時(shí)可以在聚合物分子主鏈中引入多重氫鍵相互作用，以增加聚合物骨架的剛性、提高聚合物的鏈內(nèi)電荷傳輸能力。摻雜后，引入氟原子的聚合物的n型電導(dǎo)率提升至1.3 S/cm，功率因子提升至4.6 μW/mK2，是目前n型給受體聚合物熱電材料的最佳性能。
圖2 “給體修飾”n型給受體聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱電性能。
圖3 摻雜聚合物的熱電性能。(a) 電導(dǎo)率；(b) 塞貝克系數(shù)；(c) 功率因子。
展開(kāi) 工業(yè)中測(cè)溫測(cè)溫器件分為兩類(lèi)，熱電阻和熱電偶，雖然叫法接近，但原理卻很不相同。
1、先說(shuō)一下熱電阻。熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值搞熱仿真離不開(kāi)熱電偶隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類(lèi)。
目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小；銅電阻在測(cè)溫范 圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò)150易被氧化。中國(guó)最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾 種，它們的分度號(hào)分別為Pt10、Pt100、Pt1000；銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100。
現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)的永磁電機(jī)，廣泛應(yīng)用PT1000熱電阻進(jìn)行繞組的溫度檢測(cè)。 ?
2、再介紹一下熱電偶，熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件，它的主要特點(diǎn)就是測(cè)溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，更能夠遠(yuǎn)傳 4-20mA電信號(hào)，便于自動(dòng)控制和集中控制。
熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，又稱(chēng)為Seebeck效應(yīng)。
閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)有兩種電勢(shì)組成；溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體的兩端因 溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，不同的導(dǎo)體具有不同的電子密度，所以它們產(chǎn)生的電勢(shì)也不相同，而接觸電勢(shì)顧名思義就是指兩種不同的導(dǎo)體相接觸時(shí)，因?yàn)樗鼈兊碾娮用芏炔煌援a(chǎn)生一定的電子擴(kuò)散，當(dāng)它們達(dá)到一定的平衡后所形成的電勢(shì)，接觸電勢(shì)的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及它們接觸點(diǎn)的溫度。
展開(kāi) 2，熱電偶測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的，常用的有鉑銠——鉑（分度號(hào)S，測(cè)量范圍0~1300度）、鎳鉻——鎳硅（分度號(hào)K，測(cè)量范圍0~900度）、鎳鉻——康銅（分度號(hào)E，測(cè)量范圍0~600度）、鉑銠30——鉑銠6（分度號(hào)B，測(cè)量范圍0~1600度）。
熱電阻和熱電偶都是我們?cè)陔娏S修和運(yùn)行維護(hù)中經(jīng)常遇到的測(cè)溫元器件，熟悉熱電偶和熱電阻的基本應(yīng)用和區(qū)別是十分必要的。
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(3)利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體熱電效應(yīng)的特性來(lái)測(cè)量溫度，如熱電偶溫度計(jì)。
(4)利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度，如熱電阻溫度計(jì)。
(5)利用物體熱輻射強(qiáng)度隨溫度而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度，如光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、全輻射式高溫計(jì)、紅外溫度計(jì)等。
溫度計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)可以是多種物理屬性，包括但不限于：固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮；在定容條件下，氣體（或蒸氣）的壓強(qiáng)因不同溫度而變化；熱電效應(yīng)的作用；電阻隨溫度的變化而變化；熱輻射的影響等。
室外溫度計(jì)是一種感知環(huán)境溫度變化的裝置，主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的環(huán)境溫度控制。
通常使用集成電路技術(shù)，利用材料的電阻、電容、熱電效應(yīng)等特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。能夠提供準(zhǔn)確和可重復(fù)性的溫度測(cè)量結(jié)果，從而為環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的支持。
其中常見(jiàn)的是基于電阻的傳感器，也稱(chēng)為熱敏電阻（Thermistor）。熱敏電阻的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化。通常使用兩個(gè)電阻相接成電橋電路，通過(guò)測(cè)量電橋兩端的電壓變化來(lái)計(jì)算溫度。
其設(shè)計(jì)的依據(jù)有：利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮的現(xiàn)象;在定容條件下，氣體(或蒸氣）的壓強(qiáng)因區(qū)別溫度而變換;熱電效應(yīng)的作用;電阻隨溫度的變換而變換;熱輻射的影響等。
3. 1 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)原理
帕爾貼效應(yīng)是熱電制冷的基本原理。典型的半導(dǎo)體制冷器如圖 10 所示。
接上直流電源后，電流由 N 型半導(dǎo)體流向 P 型半導(dǎo)體時(shí)吸收熱量，形成冷端，電 流由 P 型半導(dǎo)體流向 N 型半導(dǎo)體時(shí)釋放熱量，形成熱端。N 型和 P 型半導(dǎo)體交替排列，將熱量從冷端轉(zhuǎn)移至熱端，達(dá)到制冷的目的。
光照度傳感器為熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)元件采用繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷結(jié)點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，?冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在線性范圍內(nèi)，輸出信號(hào)和太陽(yáng)輻照度成正比。為減小溫度的影響則配有溫度補(bǔ)償線路，為了防止環(huán)境對(duì)其性能的影響，則用兩層石英玻璃?罩，罩是經(jīng)過(guò)精密的光學(xué)冷加工磨制而成的。
溫升要求的目的是避免溫升帶來(lái)的不良效應(yīng)（如熱電效應(yīng)，加速?gòu)椥约渥兊龋S持連接器在持續(xù)負(fù)載下的功能和壽命，同時(shí)避免產(chǎn)品溫度升高對(duì)消費(fèi)者的影響。例如：手機(jī)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致手機(jī)表面溫度升高，使消費(fèi)者感到不適。
5.
如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。
70年代后期，隨著集成技術(shù)、分子合成技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 出現(xiàn)集成傳感器。集成傳感器包括2種類(lèi)型：傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。例如：電荷耦合器件（CCD），集成溫度傳感器AD 590，集成霍爾傳感器UG 3501等。
rel="noopener noreferrer" target="_blank">熱電制冷</a>又稱(chēng)作<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B8%A9%E5%B7%AE%E7%94%B5%E5%88%B6%E5%86%B7" rel="noopener noreferrer" target="_blank">溫差電制冷</a>，或半導(dǎo)體制冷，它是利用熱電效應(yīng)
目前AMD計(jì)劃在3D堆棧的內(nèi)存或邏輯芯片中間插入一個(gè)熱電效應(yīng)散熱模塊（TEC?），原理是利用帕爾貼效應(yīng)（Peltier Effect）。
按照AMD的描述，利用帕爾貼效應(yīng)，位于熱電偶上方和下方的上下內(nèi)存/邏輯芯片，不管哪一個(gè)溫度更高，都可以利用熱電偶將熱量吸走，轉(zhuǎn)向溫度更低的一側(cè)，進(jìn)而排走。
