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亚历山大Grigorievskiy
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热电效应是直接换算吗温度不同电电压通过a,反之亦然热电偶[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,施加温度坡度原因航空公司收取在材料中从热侧漫射到冷侧。

这种效果可以用于发电,测量温度或改变物体的温度。由于加热和冷却的方向受到施加电压的影响,热电装置可用作温度控制器。

“热电效应”一词包括三种单独确定的效果:塞贝克效应Peltier效果, 和汤姆逊效应.塞贝克效应和佩尔蒂埃效应是同一物理过程的不同表现;教科书将这一过程称为Peltier-Seebeck效应这种分离源自法国物理学家的独立发现让·查尔斯·阿塔那斯·佩尔蒂埃德国的波罗的海物理学家托马斯•约翰•塞贝克).汤姆森效应是Peltier-Seebeck模型的扩展,被认为是Kelvin勋爵

电阻加热,即电流通过时所产生的热量导电一般不称为热电效应。佩尔蒂埃-塞贝克效应和汤姆森效应热力学可逆[2]虽然焦耳加热不是。

塞贝克效应

由铁丝和铜丝制成的热电堆中的塞贝克效应
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的材料(p掺杂和n掺杂半导体)组成的热电电路,被配置为热电发电机。如果底部的负载电阻器被电压表取代,电路就像一个温度敏感的热电偶。
由不同塞贝克系数的材料组成的热电电路(P-掺杂和n掺杂半导体),配置为热电发电机.如果底部的负载电阻被替换为电压表,电路的功能是温度传感热电偶

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的冷热端潜力的差异。该电位差与热和冷端之间的温差成比例。意大利科学家1794年首次发现伏打[3][注1]它是以……命名的德国的波罗的海物理学家托马斯•约翰•塞贝克他在1821年独立地重新发现了它。[4]人们观察到,在两个地方连接的两种不同的金属形成了一个闭合环路,在接头之间施加了温差,指南针就会偏转。这是因为在不同的金属中,电子能级的变化是不同的,造成了潜在的差异在连接之间产生电流通过电线,因此磁场周围的电线。塞贝克没有意识到这种现象与电流有关,所以他把这种现象称为“热磁效应”。丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂Ørst纠正监督并创造了“热电”一词。[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相同的方式产生可测量的电流或电压。当地的current density是(谁)给的

在哪里是本地电压[6]是本地导电率.一般来说,塞贝克效应的局部描述是由一个电动场的产生

在哪里是个塞贝克系数(也称为热电),一种当地材料的特性,并且为温度梯度。

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以获取更多信息)。

如果系统达到稳定状态,则在哪里,则电压梯度简单地由电动势给出:.这种简单的关系,不依赖于电导率,用于热电偶测量温差;通过在已知的参考温度下进行电压测量,可以找到绝对温度。如果已知组合物的金属探针保持在恒定温度并保持与局部加热到探针温度的未知样品接触,则可以通过其热电效应来分类其未知组合物的金属。它用于商业用途以鉴定金属合金。串联的热电偶形成a热电堆热电发电机用于从热差异产生电力。

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

当电流通过热电偶的电路时,热在一个结处产生,在另一个结处吸收。这就是所谓的佩尔蒂尔效应。的Peltier效果是以法国物理学家的名字命名的两种不同导体的带电连接处加热或冷却的现象让·查尔斯·阿塔那斯·佩尔蒂埃他于1834年发现了它。[7]当电流通过导体a和导体B之间的接点时,就会在接点产生或产生热量。单位时间内结处产生的Peltier热为

在哪里导体A和导体B的Peltier系数是多少是电流(从a到b)。产生的总热量不是单独的珀耳帖效果确定,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携带多少热量。由于电荷电流必须持续在交界处,所以相关的热流将产生不连续性是不同的。佩尔蒂尔效应可以看作是塞贝克效应的反向作用反电势在磁感应中):如果一个简单的热电电路是闭合的,那么塞贝克效应将驱动一个电流,而这个电流(通过帕尔蒂尔效应)总是将热量从热接点传递到冷接点。Peltier和Seebeck效应之间的密切关系可以从它们系数之间的直接联系中看出:(见以下).

典型的佩尔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,因此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,就会出现一个连续的帕尔蒂尔效应。这汤姆逊效应预测,后来在1851年观察到Kelvin勋爵(威廉汤姆森)。[8]它描述了带有温度梯度的载流导体的加热或冷却。

如果电流密度通过均匀的导体,汤姆森效应预测每单位体积的热量生产率

在哪里是温度梯度,和是汤姆森系数。汤姆森系数与塞贝克系数有关(见以下).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;这也包括效果电阻加热和普通的导热。如上所述,塞贝克效应产生电动势,导致当前方程[9]

为了描述Peltier和Thomson效应,我们必须考虑能量的流动。当温度和电荷随时间变化时,能量积累的完整热电方程,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,,是从外部源添加的热量(如果适用)。

如果材料达到了稳态,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

中间一项是焦耳热,最后一项包括Peltier ()及汤姆森(在热梯度中)效应。结合塞贝克方程,可用于求解复杂系统的稳态电压和温度分布。

如果材料不处于稳态,完整的描述需要包括动态效应,如与电相关的效应电容电感热力容量

热电效应超出了平衡热力学的范围。它们必然涉及持续的能量流动。至少,它们涉及三个物体或热力学子系统,以特定的方式排列,以及环境的特殊排列。这三个物体是两种不同的金属及其连接区域。接合区是一个非均匀体,假定它是稳定的,不受物质扩散的混合作用。周围布置有两个储温器和两个储电器。对于一个想象的,但实际上不可能的热力学平衡,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,传热和热力学的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,为汤姆森系数,是珀耳帖系数,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

这一关系表达了​​Peltier和Seebeck效应之间的微妙和基本的联系。在出现之前,并不令人满意onsager关系,值得注意的是,第二种汤姆森关系只在时间反转对称材料中得到保证;如果材料被放置在磁场中或其本身具有磁性排列(铁磁反铁磁性的等),那么第二个汤姆森关系就不采用这里所示的简单形式。[11]

现在,利用第二个关系,第一个汤姆森关系变成

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

塞贝克效应被用于热电发电机,其功能类似于热动发动机,但体积较小,没有活动部件,通常更贵,效率更低。它们用于发电厂的转换余热变成额外的电力(一种形式能源回收)和汽车一样汽车热电发电机(atg)增加燃油效率.太空探测器经常使用放射性同位素热电发电机用同样的机制,但是用放射性同位素来产生所需的热差。最近的用途包括电扇,[12]由身体热量供电的照明[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骑行员,用于扩增DNA的实验室装置聚合酶链反应(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许多样品串联放大。

温度测量

热电偶热电堆是一种利用塞贝克效应来测量两个物体之间温差的装置。热电偶通常用来测量高温,保持一个结的温度恒定或单独测量它(冷结赔偿).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除湿机的工作原理是将潮湿的空气压过冷散热片。当空气经过冷的表面时,其中的水蒸气凝结。然后水滴进水箱,干燥的空气被释放回房间。

另请参阅

  • 努力效力-当样品允许在磁场和温度梯度相互垂直的情况下导电时的热电现象
  • Ettingshausen效果-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
  • 热寄生虫细胞-在不同温度下,由电极组成的原电池产生电能

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Disalvo,F. J.(1999)。“热电冷却和发电”。科学285(5428): 703 - 6。doi:10.1126 / 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”.古皮尔,克利斯朵夫(编)。连续性理论与热电元件建模.纽约,纽约,美国:Wiley-VCH。第2-3页。国际标准图书编号9783527413379
  4. 塞贝克(1822)。“MagnetIsche偏光极化Der Metalle und Erze Durch Mecutifatatur-diglerenz”[金属和矿石的温差极化]。Abhandlungen der Königlichen柏林科学学院(在德国):265 - 373。
  5. 看到的:
  6. 这里的电压不是指电势,而是“电压表”的电压,在那里是个费米水平
  7. 珀尔帖效应(1834)。“NouvellesExpériencessurlaCaloricédesSourtantsélectrique”[电流热效应的新实验]。《Chimie和形体年鉴》(法国)。56.: 371 - 386。
  8. 汤姆森,威廉(1851)。《论热电电流的力学理论》爱丁堡皇家学会学报3.(42): 91 - 98。doi:10.1017 / S0370164600027310
  9. 一个bc“A.11热电效应”.Eng.fsu.edu。2002-02-01.检索2013-04-22
  10. 汤姆森,威廉(1854年)。《论热的动力学理论。第五部分:热电电流》爱丁堡皇家学会学报21.: 123 - 171。doi:10.1017 / S0080456800032014
  11. 各向异性Peltier和Seebeck系数与反向磁场和磁阶之间存在广义的二次汤姆逊关系。见,例如,李志刚,李志刚(2010)。热电手册:宏观到纳米CRC的新闻国际标准图书编号9781420038903
  12. TEG模块与塞贝克效应Stovefanreviews.com.
  13. 斯坦利·古德纳(2015年10月16日)。“由体温供电,Lumen手电筒不需要电池”Gizmag.
  14. Signe Brewster(2016年11月16日)。“身体热量为这款智能手表;矩阵工件是一个Fitbit竞争对手,用于利用皮肤和动力空气之间的温差”麻省理工学院技术评论.检索10月7日2019

笔记

  1. 1794年,沃尔塔发现,如果铁棒两端之间存在温差,那么就会引起青蛙腿的痉挛。他的仪器只有两杯水。每只杯子里都有一根电线,连接着一只青蛙的一条或另一条后腿。一根铁棒被弯成弓,一端在沸水中加热。当铁弓的两端浸入两个玻璃杯时,一股热电电流通过青蛙的腿,导致它们抽搐。看到的:摘自(伏尔泰,1794),第139页:“……在每一分钟里都有一种声音,在每一分钟里都有一种声音,在每一分钟里都有一种声音。”(......我浸入沸腾的水一端这样的弧形[铁杆]大约半分钟,然后我把它拿出来,没有时间冷却,用两杯凉水恢复实验;和[在这一点上,浴缸里的青蛙痉挛;这是[发生]甚至两个,三个,四次,[次]重复实验;直到,通过这种倾角来冷却 - 通过这种逢低[那是]更多或更长且重复,或者通过更长的曝光 - 空气 - 浸入热水中的铁[杆的末端,这弧返回[待存在]完全不能令人兴奋的动物抽搐。)

进一步的阅读

外部链接

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