金属的热电性及其三种基本效应

在金属组成的回路中，存在温差或通以电流时，会产生热能与电能相互转换效应，称为金属的热电性。金属的热电性也是一个重要的性能，利用热电性原理，可以制造成热电偶，用以测量和控制温度。也可以用热电性分析合金的成分。

金属的热电性概括为三个基本的热电效应。

1.第一热电效应

第一热电效应又称塞贝克效应。1821年塞贝克发现锑与铜两种金属导线组成的回路中，如果两个接点处的温度不同，则回路中将出现一个热电流，产生这种电流的电动势称热电动势，如图2-10所示。这种由于温差而产生的热电现象称为塞贝克效应。电流的方向与互相接触金属的性质有关。

图2-10 塞贝克效应示意图

由于两种金属的电子逸出功和电子密度不同，当两种金属接触时，金属中做不规则运动的电子，会从一种金属越过接触面，迁往另一金属，这样在接触点就形成了与温度有关的接触电动势，两接触电动势的代数和不等于零，接触电动势差就是热电动势。热电动势E_AB的大小不仅与A、B两种材料本性有关，而且与二个接触点温度差ΔT（T₂-T₁）有关。即

E_AB=S_ABΔT

式中 S_AB——塞贝克系数。

金属和合金的热电动势极小，其数量级约为每度十万分之几伏特。

2.第二热电效应

第二热电效应又称玻尔贴效应。

当电流通过两个不同的金属A和B组成的回路时，在金属导体A和B中，除产生焦耳热外，还要在接触点吸收或放出一定的热量Q。由于存在玻尔贴效应，经过时间τ，吸热的一端温度将上升ΔT，而另一端下降ΔT，如图2-11所示。

玻尔贴热Q与两个金属的特性有关，与通过的电流的时间τ和强度I成正比。

图2-11 玻尔贴效应示意图(www.xing528.com)

Q=πIτ

式中 π——玻尔贴系数或玻尔贴电动势。

很显然，玻尔贴热是和焦耳热叠加在一起的，由于焦耳热与电流的方向无关，而玻尔贴热与方向有关，利用这一特点可以将这两种热分开。

为此先从一个方向通入电流，如果测得热量Q₁+Q₂，Q₁为焦耳热，Q₂为玻尔贴热，而后再从另一方向通入电流，则测得热量变为Q₁-Q₂，显然两种情况放出的热量差就是玻尔贴热的两倍。

（Q₁+Q₂）-（Q₁-Q₂）=2Q₂或

3.第三热电效应

第三热电效应又称汤姆逊效应。

对于一个金属导线，如果使其两点间保持恒定的温度差ΔT，在时间τ内，在导线中通过电流I，则在两点之间，依电流的方向不同而放出或吸收一定的热量Q_r，称汤姆逊热。

Q_r=σIτΔT

式中 σ——汤姆逊系数或汤姆逊电动势，它与导体的性质和温度有关。

图2-12 汤姆逊效应示意图

汤姆逊效应也是可逆的，当电流方向与温度梯度方向一致时，要放出热量，σ为正值；反之，要吸收热量。吸热使金属导线温度下降，放热使金属导线温度上升。

实际上，对于一个由A、B两种金属组成的回路，当两个接触点温度T₁与T₂不同时，三种热效应同时产生。首先由于产生热电动势而产生热电流，热电流通过接触点时产生玻尔贴热，

由于有温度梯度的导体A、B有电流通过，而在导线的全长会吸收和放出汤姆逊热。