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亚历山大Grigorievskiy
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热电效应是直接转换温度不同电电压反之亦然,通过a热电偶[1]当每侧存在不同的温度时,热电器件会产生电压。相反,当电压施加到它时,转移从一侧到另一侧,产生温差。在原子尺度,施加温度梯度原因航空公司收取在材料中从热侧漫射到冷侧。

这个效果可以用来发电,测量温度或改变物体的温度。因为加热和冷却的方向受到施加电压的影响,热电装置可以用作温度控制器。

术语“热电效应”包括三个分别确定的效应:热电效应塞贝克效应Peltier效果, 和汤姆逊效应.塞贝克效应和珀尔蒂埃效应是同一物理过程的不同表现;教科书上把这个过程称为Peltier-Seebeck效果(分离来自法国物理学家的独立发现Jean Charles Athanase Peltier德国的波罗的海物理学家Thomas Johann Seebeck.).汤姆森效应是Peltier-Seebeck模型的延伸,并记入Kelvin勋爵

焦耳加热,电流通过电流表时所产生的热量导电材料,一般不称为热电效应。佩尔蒂埃-塞贝克和汤姆森效应是热力学可逆[2]虽然焦耳加热不是。

塞贝克效应

塞贝克效应在铁和铜线制成的热电堆中
塞贝克效应在一个热电堆由铁和铜线制成
一种由不同塞贝克系数(p掺杂和n掺杂半导体)材料组成的热电电路,配置为热电发电机。如果底部的负载电阻换成电压表,电路就变成了一个温度感应热电偶。
由不同塞贝克系数的材料组成的热电电路(P-掺杂以及n掺杂半导体),配置为a热电发电机.如果将底部的负载电阻替换为a电压表,电路然后用作温度感应热电偶

塞贝克效应是在它们之间存在温差时,在导电材料的两点上产生的电动势(EMF)。EMF称为Seebeck EMF(或热/热/热电EMF)。EMF与温差之间的比率是塞贝克系数。一个热电偶测量两种不同材料在热端和冷端之间的电位差。这个电位差正比于热端和冷端之间的温度差。1794年由意大利科学家首次发现Alessandro Volta.[3][注1]它是以德国的波罗的海物理学家Thomas Johann Seebeck.他在1821年独立地重新发现了它。[4]观察到指南针将被两个地方连接在两个地方的两个不同金属形成的闭环偏转,接头之间的施加温差。这是因为电子能量水平在不同的金属中不同地移动,创造一个潜在的差异在接点之间,通过电线产生电流,因此磁场周围的电线。塞贝克没有意识到这与电流有关,所以他称这种现象为“热磁效应”。丹麦物理学家Hans ChristianØRsted纠正了这个疏忽,创造了"热电"这个词。[5]

塞贝克效应是一个经典的例子电动势(EMF)并以与任何其他EMF相同的方式导致可测量的电流或电压。本地的current density是由

在哪里是当地的电压[6]是当地的电导率.一般来说,塞贝克效应在局部是用电动势场的产生来描述的

在哪里是个塞贝克系数(也称为热电),当地材料的一种属性,和为温度梯度。

塞贝克系数通常随温度的函数而变化,并且在导体的组成上强烈地依赖于导体的组成。对于在室温下的普通材料,塞贝克系数可以从-100μV/ k到+1,000μV/ k的值范围(参见塞贝克系数文章为更多信息)。

如果系统达到稳态,其中,则电压梯度由电动势简单给出:.这个简单的关系,不依赖于电导率,被用于热电偶测量温差;在已知的参考温度下进行电压测量,可以得到绝对温度。如果将已知成分的金属探针保持恒定温度,并与局部加热到探针温度的未知样品保持接触,则可根据其热电效应将未知成分的金属分类。它用于商业上识别金属合金。热电偶串联形式a热电堆热电发电机用于从热差中产生能量。

Peltier效果

塞贝克电路配置为热电冷却器
Seebeck电路配置为a热电冷却器

当电流通过热电偶电路时,热在一个结放出,在另一个结吸收。这就是所谓的佩尔蒂埃效应。的Peltier效果是在两个不同导体的电气化结处的加热或冷却,并以法国物理学家命名Jean Charles Athanase Peltier,谁在1834年发现了它。[7]当电流流过两个导体a和B之间的一个结时,在这个结处可能产生或排出热量。结合处单位时间产生的Peltier热为

在哪里导体A和导体B的佩尔蒂埃系数是什么为电流(从A到B)。所产生的总热不是单独由Peltier效应决定的,因为它也可能受到焦耳加热和热梯度效应的影响(见下文)。

Peltier系数表示每单位电荷所携带的热量。由于电荷电流必须是连续的通过一个结,相关的热流将发展一个不连续是不同的。珀耳帖效应可以被认为是塞贝克效应的背部动作对应物(类似于反电势(在磁感应中):如果一个简单的热电电路被关闭,那么塞贝克效应将驱动一个电流,而这个电流(通过佩尔蒂埃效应)将总是将热从热结传递到冷结。Peltier效应和Seebeck效应之间的密切关系可以从它们的系数之间的直接联系中看出:(看以下).

一个典型的珀尔帖效应热泵涉及串联的多个连接点,驱动电流。由于珀耳帖效应,一些连接物失去了热量,而其他则会增加热量。热电热泵利用这种现象,如下所示热电冷却在冰箱中找到的设备。

汤姆逊效应

在不同的材料中,塞贝克系数在温度上不是恒定的,所以温度的空间梯度会导致塞贝克系数的梯度。如果电流通过这个梯度,就会出现连续的珀尔提效应。这汤姆逊效应在1851年被Kelvin勋爵(威廉·汤姆森)。[8]它描述了带温度梯度的载流导体的加热或冷却。

如果一个电流密度通过均匀导体时,汤姆逊效应预测单位体积的产热率

在哪里是温度梯度,和为汤姆逊系数。汤姆逊系数与塞贝克系数的关系为(看以下).然而,这种方程忽略了焦耳加热和普通的导热率(参见下面的完整方程)。

全热路程

通常,上述效果的多于一个效果参与了真实热电装置的操作。塞贝克效应,珀耳帖效果和汤姆森效果可以以一致而严谨的方式聚集在一起;这也包括效果焦耳加热和普通的热传导。如上所述,塞贝克效应产生电动势,从而得到电流方程[9]

为了描述Peltier和Thomson效应,我们必须考虑能量的流动。如果温度和电荷随时间变化,则完整的热电式能量积累,,是[9]

在哪里是个热导率.第一项是傅里叶热传导定律,第二个术语显示电流携带的能量。第三个任期,,是来自外部热源的热量(如果适用)。

如果材料达到一个稳定的状态,电荷和温度分布是稳定的,所以.使用这些事实和第二个汤姆森关系(见下文),可以简化热方程式

中期是焦耳加热,最后一个术语包括珀耳帖(在交界处)和汤姆森(在热梯度)效果。结合塞贝克方程,这可用于解决复杂系统中的稳态电压和温度分布。

如果材料不是在一个稳定的状态,一个完整的描述需要包括动态效应,如与电有关电容电感热容

热电效应位于平衡热力学的范围之外。它们一定涉及持续的能量流。至少,它们涉及三个体或热力学子系统,以特定方式排列,以及周围的特殊布置。三个身体是两种不同的金属及其交界区。接线区域是一个不均匀的体,假设是稳定的,而不是通过物质的扩散患的恶性。周围环境布置成维持两个温度储存器和两个电储存器。对于一个想象的,但实际上不可能,热力学平衡,需要通过专门匹配电储存器维持的电压差,从热储存器转移到冷库,电流需要为零。实际上,对于稳定状态,必须至少有一些传热或一些非零电流。当存在三个不同的体和周围环境的不同布置时,可以区分热量和电流的两种能量转移模式。但在媒体的连续变化的情况下,传热和热力学工作不能唯一的区别。这比经常考虑的热力学过程更复杂,其中只有两个分别的均匀子系统。

汤姆森的关系

1854年,Kelvin勋爵发现了三个系数之间的关系,这意味着汤姆森,珀耳帖和塞伯克效应是一种效果的不同表现(臭鼬系数的唯一表征)。[10]

第一个汤姆森关系是[9]

在哪里是绝对温度,是汤姆森系数,是Peltier系数,和是塞贝克系数。考虑到汤姆森效应是Peltier效应的连续版本,这种关系很容易显示。

第二个汤姆森关系是

这种关系表达了佩尔蒂埃和塞贝克效应之间微妙而根本的联系。它没有得到令人满意的证明,直到昂萨格关系值得注意的是,仅保证时间反转对称材料;如果将材料放置在磁场中或本身是磁性有序的(铁磁反铁磁性的,那么第二个汤姆逊关系就不是这里所示的简单形式。[11]

现在,使用第二个关系,第一个汤姆森关系成为

Thomson系数在三个主要热电系数中是独一无二的,因为它是直接可测量的单个材料的一个。珀耳帖和塞贝克系数只能容易地确定成对材料;因此,难以找到单个材料的绝对塞贝克或Peltier系数的值。

如果在宽温度范围内测量材料的汤逊系数,则可以使用汤姆森关系集成,以确定Peltier和Seebeck系数的绝对值。这需要仅针对一种材料来完成,因为可以通过测量包含参考材料的热电偶中的一对塞贝克系数来确定其他值,然后加入参考材料的绝对探险系数。有关绝对塞贝克系数确定的更多详细信息,请参阅塞贝克系数

应用程序

热电发电机

塞贝克效应用于热电发电机,其功能类似于热引擎但体积较小,没有活动部件,而且通常更贵,效率更低。它们在发电厂有转换的用途浪费热量变成额外的电力(一种形式的能源回收)和汽车一样汽车热电发电机(ATGS)增加燃油效率.太空探测器经常使用放射性同位素热电发生器具有相同的机制,但使用放射性同位素产生所需的热差。最近的用途包括炉灶粉丝,[12]照明由身体热量提供动力[13]和由体温提供动力的智能手术。[14]

Peltier效果

珀耳帖效果可用于创建一个冰箱紧凑,没有循环流体或移动部件。这种冰箱可用于其优点超过其效率非常低的缺点的应用。珀耳帖效果也被许多人使用热循环仪,用于扩增DNA的实验室设备聚合酶链反应(PCR)。PCR需要循环加热和将样品冷却到规定的温度。在小空间中包含许多热电偶使得能够并行放大许多样品。

温度测量

热电偶热能是使用Seebeck效果来测量两个对象之间的温差的设备。热电偶通常用于测量高温,保持一个结常数的温度或独立测量它(热电偶冷端补偿).热电件使用串联电连接的许多热电偶,用于敏感测量非常小的温差。

Dehumidifers

Peltier除湿器的工作原理是迫使潮湿的空气通过一个冷散热器。当空气经过寒冷的表面时,其中所含的水蒸气就会凝结。然后,水滴入一个水箱,干燥的空气被释放回房间。

另请参阅

  • 能斯特效应-一种热电现象,当一个样品在一个磁场和一个相互垂直的温度梯度中允许电传导
  • 厄廷好森效应- 在磁场中影响导体中电流的热电现象
  • 热电- 在加热/冷却后,在晶体中产生电极的电极,其效果不同于热电
  • 温差原电池-由具有不同温度电极的原电池产生电能

参考

  1. “珀耳帖效应和热电冷却”ffden-2.phys.uaf.edu.
  2. 作为“优点的数字”方法无限,Peltier-Seebeck效果可以靠近较近的热力发动机或冰箱。卡诺效率刘文杰(1999)。“热电冷却和发电”。科学285.(5428): 703 - 6。doi10.1126 / science.285.5428.703Pmid.10426986.任何在卡槽效率下工作的设备都是热力学上可逆的,其后果古典热力学
  3. Goupil,克利斯朵夫;Ouerdane Henni;Zabrocki,克纳;沃尔夫冈•塞弗特;Hinsche尼基f;埃克哈特·穆勒(2016)。“热力学和热电”.在Goupil,Christophe(Ed。)。连续性理论与热电元件建模.纽约,纽约,美国:Wiley-VCH。第2-3页。ISBN.9783527413379
  4. 塞贝克(1822)。“MagnetIsche偏光极化Der Metalle und Erze Durch Mecutifatatur-diglerenz”[由温差引起的金属和矿石的磁极化]。Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften柏林(在德国):265 - 373。
  5. 看到的:
  6. 在这种情况下的电压不指的是电势,而是“电压表”电压, 在哪里是个费米能级
  7. Peltier(1834)。"Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique"[电流热效应的新实验]。《Chimie和体质年鉴(法国)。56: 371 - 386。
  8. 汤姆森,威廉(1851)。关于热电流的力学理论爱丁堡皇家学会学报3.(42): 91 - 98。doi10.1017 / S0370164600027310
  9. 一个bc“A.11热电效应”.Eng.fsu.edu。2002-02-01.检索到2013-04-22
  10. 汤姆森,威廉(1854年)。“关于热的动态理论。第五部分热电流”爱丁堡皇家学会学报21: 123 - 171。doi10.1017 / S0080456800032014
  11. 研究了各向异性Peltier系数和Seebeck系数与磁场和磁序的关系。见,例如,罗主编(2010)。热电手册:宏到纳米CRC的新闻ISBN.9781420038903
  12. “TEG模块与塞贝克效应”StoveFanReviews.com
  13. Goodner Stanley(2015年10月16日)。“用身体热量供电,Lumen手电筒从不需要电池”Gizmag.
  14. Signe Brewster(2016年11月16日)。“体热为这款智能手表提供能量;Matrix PowerWatch是FitBit的竞争对手,它利用皮肤和空气之间的温差来提供能量。”麻省理工学院技术评论.检索到10月7日2019

笔记

  1. 1794年,沃尔塔发现,如果一根铁棒的两端存在温差,那么它就可以刺激青蛙的腿痉挛。他的仪器由两杯水组成。每个杯子里都浸着一根电线,连接着一只青蛙的一条或另一条后腿。把铁棒弯成弓,一端放在沸水里加热。当铁弓的末端浸入两个杯子时,一股热电电流通过青蛙的腿,使它们抽搐。看到的:摘自(Volta, 1794),第139页:“……我要把它写进联合国,每一小步都要加上一句,……我要把它写进动物的惊厥里。”我把这种弧形(铁棒)的一端浸入沸水中约半分钟,然后把它拿出来,不让它冷却,又拿两杯冷水继续做这个实验;就在这时,在浴缸里的青蛙抽搐了;这种情况甚至发生了2次,3次,4次。直到[有]冷却,这种下降[,]或多或少长,重复,或更长的接触空气,铁的结束(杆的)早些时候下降到热水,这个弧返回[是]完全无法令人兴奋的抽搐的动物。)

进一步的阅读

外部链接

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