《热电转换材料》PPT课件.ppt

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1、第二节热电转换材料太阳辐射到地球的热可利用适当的材料进行热电转换加以利用.热电转换材料还广泛应用于温度测量、制冷等方面.一.热电效应热电效应：在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部位出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电动势，此现象称热电效应．热电效应有三种：塞贝克(Seebeck)效应帕耳帖(Peltier)效应汤姆逊(Thomson)效应．（一）塞贝克(Seebeck)效应：1821年塞贝克(T．J．Seebeck)发现当两种不同的金属A、B组成回路，且两接触点的温度不同时，在回路中产生电

2、流，这称为塞贝克效应．当两接触点的温差较小时，回路中的电动势EAB与温差有线性关系：EAB=SABTT－两接触点的温差，SAB－相对塞贝克系数，SAB=SA-SBSA、SB－金属A、金属B的绝对塞贝克系数．将回路断开，在断开处a、b间便出现一个电动势差，即V＝Vb-Va，其极性和量值与回路中的热电动势一致．（二）帕耳帖(Peltier)效应：1834年帕耳帖(J.C.A.Peltier)发现，当两种不同金属组成回路并有电流(不管是热电流还是外加的电流）在回路中流过时，在两种金属的一个接点处放出热量，而在

3、另一个接点处吸收热量．改变电流的方向，则吸、放热的接点也对调．这种效应称帕耳帖(Peltier)效应．它满足下式：QAB=ABIQAB－接点处吸收帕耳帖热的速率；AB－金属A和B间相对帕耳帖系数；I－通过的电流强度．AB=A-BA、B－分别是金属A和金属B的绝对帕耳帖系数．T1-TT2+TAB帕耳帖(Peltier)效应吸热放热（三）汤姆逊(Thomson)效应1851年汤姆逊根据热力学理论，证明帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程．并预测，当具有温度梯度的一根均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象

4、．这就是汤姆逊(Thomson)效应．如右图：一根均匀的导体在某一点O加热至T2温度，两端点P1、P2点温度相同且为T1（图(a)）．如果这均一的导体构成回路（图(b)），当有电流通过时，则P1、P2点会出现温度差．设汤姆逊热效应产生的热吸收率为qA(对于导体A)，则P1OP2热流恒温槽T1T1T2热的传递P1OP2加热点单一导体T1-TT1+TT2a)b)a)均匀导体形成温度差；b)电流通过有温度差的导体产生吸热和放热汤姆逊(Thomson)效应A－导体A的汤姆逊系数；dT/dx－导体温度梯度；j－电流密

5、度．若电流方向与热流方向一致则放出热量(电流产生的焦耳热之外)，反之则吸热.事实上，上述热电效应不仅存在于金属导体中，也存在于半导体中.金属的热电效应较弱，半导体的热电效应显著．二.热电偶材料热电偶材料:利用热电转换效应将温度信号转换成电信号,从而实现温度测量的材料.当A、B两种导体构成图5—5所示的回路时，按塞贝克效应当端点T1和T2的温度不同时，回路中产生热电势．根据热电势和温差的对应关系，测出电势即可得出温度.热电极材料：构成热电偶的导体(或半导体)称为热电极材料．性能要求：热电势大，热电势随温度呈单调函数

6、变化，熔点高、抗高温氧化性和抗环境介质腐蚀，热电特性稳定，有良好的加工性能及机械强度等．热电极材料：铂铑合金NiCr10合金康铜等．热电偶:铂铑-铂,NiCr10-康铜,Fe-康铜等.三．热电转换材料热电转换材料：用于热电发电、热电制冷等方面的材料．热电材料与其它能源转换相比成本高，效率低．但在一些特定场合和条件下，使用热电转换材料来获得能源十分必要．热电转换元件工作原理：如下图：p型半导体材料的绝对塞贝克系数Sp为正值、n型半导体材料的绝对塞贝克系数Sn为负值，A端温度为Tc、B端温度为Th．回路中通过电流为I

7、，电流由n型半导体流向p型半导体，由于帕耳帖效应在A端电极处吸热，在B端电极处放热.若保持电流、A端和B端温度不变，则该电热元件由A端连续不断的从对象中吸热，由B端放热，实现热电制冷.A端TcB端Th材料当前使用和正在开发的热电转换材料（半导体），按使用温度分，主要有三类：(1)低温区(300-400℃)：Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、Sb2Se3、ZnSb及它们的复合体.(2)中温区(700℃):PbTe、SbTe、Bi(SiSb2)、Bi2(GeSe)3等.(3)高温区(≥700℃)：

8、CrSi2、MnSi1.73、FeSi2、CoSi等.(一)Bi2Te3-Sb2Te3系化合物Sb2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3均属Bi2Te3化合物半导体，其晶体结构为菱面体点阵，属C33结构。这些化合物可互溶且有较大的互溶度.(二)PbTe型化合物PbTe系化合物既可作为合金，也可当作半导体。具有离子键结合的NaCl型晶体结构。该化合物的固溶范围很小.(三)Fe