金属材料的热电效应基础知识

热电效应是许多工程材料中的自由电子在外界电、热作用下可逆运动过程的反映，是材料的基本物理现象之一，其特征参数与材料的电导率和热导率相关。

所谓热电效应，是指当受热物体中的电子（空穴），随着温度梯度由高温区往低温区移动时，产生电流或电荷堆积的一种现象，如图7-1所示。

通过对热电位的测量，人们研制出温度及能量转换器、具有稳定高热电位的材料，以及在精密仪表行业中应用的，用来降低热电位的材料。此外，由于这种效应的高度敏感性，它被作为热电分析方法广泛用在材料研究中。

1.塞贝克效应

在两种不同金属构成的回路中，如果两种金属的结点处温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势，这就是塞贝克效应。塞贝克效应产生的原因是金属在温度梯度存在的条件下，内部产生电动势，不同的金属产生电动势的能力不同，当两种不同金属连接在一起时，由于冷热测量结点产生的电位不同，导致回路中产生电流，如图7-2所示。

图7-1 热电效应示意图（T＞T₀）

图7-2 塞贝克效应示意图

如果两种材料A和B完全均匀，则回路中热电位E_AB的大小除与材料有关外，还与两个接触点的温度T₁和T₂有关。由于两种金属中电子密度和逸出功不同，电子从一种金属越过界面向另一种金属迁移，故在接点处形成与温度有关的接触电位。倘若回路的两接触点温度不同，两接触电位的代数和不等于零，接触电位差就是热电位。当两接点的温差不大时，所产生的热电位与温差成正比，即：

E_AB=S_ABΔT（ 7-1）

式中 E_AB——A、B两种材料所产生的热电动势，单位为V；

S_AB——A、B两种材料的相对热电位率；

ΔT——两接点的温度差，单位为℃。

与塞贝克效应相关的基本规律如下：

1）要确定塞贝克热电位的大小必须保证A、B两种材料的化学成分和物理状态完全均匀，否则将要附加一个难以确定的附加电位，这一规律称为均质导体定律。(www.xing528.com)

2）如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种金属接入的两端温度相同，就不会影响原回路所产生的热电位，如图7-3所示。这个规律称为中间导体定律。

图7-3 出现中间导体和中间温度时的情形

a）中间导体 b）中间温度

3）只要两种材料均质，两端温度恒定，即使回路中某一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电位不变，这一规律称为中间温度定律。由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。金属中温差电动势率为0～10μV/℃，所以金属中的塞贝克效应主要用于温差电偶（用作温度计），即热电偶。

2.帕尔帖效应

帕尔帖发现了这样一种现象：用两块不同的导体连接成电偶，并接上直流电源，当电偶上通过电流时，会发生能量转移现象，一个接头处放出热量变热，另一个接头处吸收热量变冷。人们把这种现象称作帕尔帖效应。帕尔帖效应直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是“致冷器”的发明。1837年，俄国物理学家楞次发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”。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。能量在两种材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

3.汤姆逊效应

1854年汤姆逊用热力学分析上述两种温差电效应时指出，还应有第三种温差电现象存在。当在存在温度梯度的均匀导体中通有电流时，导体中除了产生不可逆的焦耳热外，还要吸收或放出一定的热量，热量流入或流出的方向视电流的方向和温度梯度的方向而定。这一热电现象被定名为汤姆逊效应，即当温度梯度或电流的方向倒转时，导体从一个汤姆逊热吸收器变成一个汤姆逊热发生器，在单位时间内吸收或放出的能量与电流和温度梯度成正比，即：

式中 Q_T——汤姆逊热，单位为J；

τ——汤姆逊系数，它与材料的性质有关；

I——电流，单位为A；

——导体中的温度梯度。