温差电技术原理及在工科物理实验中的应用

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1、第23卷第5期大学物理实验VoL23No．52010年1O月PHYSICALEXPERENT0FC0LLEGEOct．2010文章编号：1007—2934(2010)05—0043—04温差电技术原理及在工科物理实验中的应用邹乾林(上海电力学院，上海201300)摘要：简要介绍温差电技术的基本原理以及运用该原理设计、制作一些在工科物理实验中的装置。关键词：温差电技术；温差发电；温差电制冷、制热；半导体制冷器中图分类号：0441．5文献标志码：A半导体温差电技术是近年来国际上迅速发展示。E是塞贝克电动势，Sab

2、塞贝克系数。因此的一项高新技术。从1834年发现帕尔帖效应开塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形始，利用帕尔帖效应制造半导体温差电器件已经成的。由于所选的材料不同，电位的变化可以是有一百多年的历史，但由于当时半导体材料的热正或负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号电性能差、效率低，一直没得到实际应用。直到也很重要。20世纪5O年代，随着半导体热电技术的理论和金属A工艺研究不断积累，使热电效应的效率大大提高，我国从7O年代开始研制半导体致冷器件，80年冷端代末进行应用产品的研制。产品以车用小型冷热藏箱为

3、主。9O年代开发出具有广泛实用价值的民用便携式冷热箱、化妆品专用冷藏箱、高低温测试设备国内市场已有数十种应用产品。另外在导图1塞贝克效应原理图弹、卫星、雷达等国防重点工程，光纤通信高精密若两种材料是十分均匀的，那么这种电动势科学仪器上应用日益增多。的大小就仅与两个接点的温度有关。产生热电动为使该技术能尽快地得到发展，我院将半导势的原因主要是由于：(1)两种金属的逸出功不体热电技术应用于大学物理实验中，使学生对该同；(2)两种金属的电子密度不同。从而发生电子技术有所了解。从一种金属穿过界面向另一种金属迁移，在接

4、点处形成了接触电势，它与温度有关，在两接点温度l半导体温差电器件的原理不相同时，其接触电动势的代数和不等于零，所产生的接触电势差就是热电动势。在两接点温度差1．1半导体温差电原理的依据不大时热电动势与温度差成正比。1．1．1塞贝克效应1．1．2珀尔帖效应1821年塞贝克发现在锑与铜两种材料组成珀尔帖效应是1834年由法国科学家JeanC．的回路中，当两个接触点处于不同温度时候，在回APeltier发现的，即直流电流流过两种不同金属路中就有电流通过。人们把产生这种电流的电动的接点时，在接点处会出现放热或吸热的现

5、象。势叫做热电动势，也叫做塞贝克电动势或温差电实验证明：两种不同金属间产生珀尔帖效应动势。是很微弱的，唯有某些半导体材料PN结的珀尔要形成温差电动势必须有两种不同的金属材帖效应较为显著。实用的半导体制温差电材料有料，并在两端的连接处有不同的温度，如图1所收稿日期：2010-05一i0温差电技术原理及在工科物理实验中的应用碲化铅、硅化铁、锑化锌、碲化铋等。目前以碲化但仅有一对热电偶所产生的制冷量是远远不铋应用为主，其三元固溶体合金成分为：够的，因此为加大功率，采用热电偶串联，吸热端、P型——Bi2Te3+SbT

6、e2放热端各自并联，见图3。N型——Bi2Te3+Bi2Se3利用上述原理设计的温差电器件可以用作为(3)汤姆逊效应(略)冷热源制成具有冷藏、热藏、降温、恒温、升温等功1。2影响半导体制冷效率的不利因素能的装置，并能用于各种热工测量。1．2．1焦耳效应(JouleEffect)单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体2特点电阻和电流平方的乘积，通常伴随发生导体温度的升高。由于半导体热电制冷不同于传统的压缩式制1．2．2傅里叶效应(FourierEffect)冷，它没有压缩机，无转动部分，无机械磨损。并单位时间内

7、经过均匀介质沿某一方向传导的有下列优点：一、结构简单，无噪音、无磨损、无污热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的染、可靠性高、维护方便，且维护工作量少。其二，乘积成正比。它是固体化电子器件，占有空间小，可小型化、分由于这些因素，半导体热电效率在很大程度散化、致冷加热可互易。调节电压或电流时，制冷上受到了限制，尽管如此半导体温差电技术还是量及温差能无级控制，易于实现高精度的温控。在各领域中的应用却越来越广泛，越来越显示出因此，在目前小范围制冷行业特别是测试仪器、小它的特殊优越性。型车用冷箱中占有越来越重要地

8、位。利用半导体材料的帕尔帖效应，选用热电效应较高的热电偶构成温差电器件，见图2。3常用器件型式吸收热量半导体制冷器可分为单级见图4，多级组件t／一，见图5。．：≥⋯片上i；＼热端IJ：I1图2珀尔帖效应原理圈(a)正面当直流电通过由两种不同的半导体材料串联成的热电偶时，在热电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，如果在放热端安装散热装置，吸热(b)侧面端就能通过吸收热量使吸热端的温度低于放热端图4单级