塞貝克熱差效應(yīng)正規(guī)版資料

塞貝克熱差效應(yīng)(xiàoyìng)第一頁(yè)，共14頁(yè)。背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理科技名人塞貝克

塞貝克（Seebeck,ThomasJohann）俄國(guó)-德國(guó)科學(xué)家。1770年4月9日生于愛(ài)沙尼亞（俄國(guó)）的雷維爾；1831年12月10日卒于德國(guó)柏林。塞貝克是歌德的朋友，兩人一起研究過(guò)色彩的理論，可是，這個(gè)理論是錯(cuò)誤的。不過(guò)，他終于做出了有成效的工作，這便是在1821年首先觀察到的，如果兩種不同的金屬在兩處相接，并且兩個(gè)結(jié)點(diǎn)保持不同的溫度，就會(huì)有電流連續(xù)不斷地流過(guò)電路。塞貝克本人對(duì)這種從熱到電的轉(zhuǎn)化（溫差電）沒(méi)有給予正確的解釋，因而也就沒(méi)有作深入的研究。所以”塞貝克效應(yīng)”長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)無(wú)人過(guò)問(wèn)。如今這種效應(yīng)得到了卓有成效的利用，特別是在肖克利及其合作者首先制造的半導(dǎo)體器上。第二頁(yè)，共14頁(yè)。背景(bèijǐng)資料溫差(wēnchā)電一門(mén)古老而又年輕的學(xué)科實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理

溫差電是研究溫差和電之間關(guān)系的科學(xué)，它是一門(mén)古老而又年輕的學(xué)科。構(gòu)成溫差電技術(shù)的基礎(chǔ)有三個(gè)基本效應(yīng)。1821年德國(guó)科學(xué)家塞貝克首先發(fā)現(xiàn)了溫差電的第一個(gè)效應(yīng)，人們稱之為塞貝克效應(yīng)，即兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接頭存在溫差時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流，這一效應(yīng)成為了溫差發(fā)電的技術(shù)基礎(chǔ)。今天我們經(jīng)常提到的電子致冷所依賴的珀?duì)柼?yīng)是法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼?834年發(fā)現(xiàn)的，它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。1845年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了溫差電的第三個(gè)效應(yīng)，后來(lái)人們稱它為湯姆遜效應(yīng)。溫差電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后將近一個(gè)世紀(jì)，并未得到實(shí)際應(yīng)用，原因是金屬的溫差電效應(yīng)非常微弱。溫差電技術(shù)的真正復(fù)興可以認(rèn)為從二十世紀(jì)30年代開(kāi)始，杰出的蘇聯(lián)物理學(xué)家約飛最早提出采用半導(dǎo)體材料作為溫差電換能材料，特別是首先提出的固熔體合金的概念，為溫差電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。第三頁(yè)，共14頁(yè)。背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理

很顯然，溫差電技術(shù)分為溫差發(fā)電和溫差致冷兩大分支。1942年前蘇聯(lián)最早制成了用火焰加熱的溫差發(fā)電器，效率為1.5～2％。之后，一些特殊領(lǐng)域?qū)﹄娫吹男枨蟠蟠蟠碳ち藴夭畎l(fā)電器的研制工作，二十世紀(jì)60年代初就有一批溫差發(fā)電器成功地用于空間、地面和海洋。溫差發(fā)電器效率較低，一般不大于8％，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。但近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫差發(fā)電器已逐漸得到廣泛應(yīng)用，不僅在軍事、航天領(lǐng)域，而且在民用方面也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

上世紀(jì)50年代初期，利用PbTe和Sb2Te3材料分別作N、P臂的單級(jí)溫差電致冷器的最大溫差約40℃，以后人們發(fā)現(xiàn)Bi2Te3及其固熔體合金是最有希望的溫差電致冷材料。上世紀(jì)70年代以后，由于陶瓷工藝、半導(dǎo)體材料制備方法、切割工藝及焊接技術(shù)等的進(jìn)步使溫差電致冷得到飛速發(fā)展。迄今為止，已實(shí)用化的性能最佳的溫差電致冷材料為Bi2Te3—Sb2Te3—Sb2Se3贗三元合金，最大優(yōu)值達(dá)3.5×10－3/℃，用這種材料制作的單級(jí)致冷組件的最大溫差可達(dá)到70℃以上。

第四頁(yè)，共14頁(yè)。背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理

前蘇聯(lián)的俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家在溫差發(fā)電和溫差致冷方面進(jìn)行了最廣泛的研究。隨著這些國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變革，他們的科研成果正從航天、軍事領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)化到市場(chǎng)需求方面。美國(guó)也是溫差電技術(shù)的強(qiáng)國(guó)，而且該技術(shù)領(lǐng)域得到美國(guó)政府和軍方的支持。

目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上溫差電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國(guó)家之一，產(chǎn)品的技術(shù)性能也接近國(guó)際先進(jìn)水平。以電子致冷飲水機(jī)為代表的溫差電致冷產(chǎn)品廣泛進(jìn)入了普通家庭，可以相信，溫差電技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。溫差電技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向

微型溫差電器件是當(dāng)今溫差電技術(shù)的另一前沿。電子器件微型化和軍事應(yīng)用的迫切需要研制高熱流密度、高功率密度、快速響應(yīng)時(shí)間、低溫差時(shí)能產(chǎn)生高電壓的微型溫差發(fā)電組件。隨著計(jì)算機(jī)芯片越來(lái)越小，運(yùn)行速度越來(lái)越快，熱設(shè)計(jì)問(wèn)題也越來(lái)越重要，迫切需要一種能集成在芯片上的微型致冷組件。

按用途分，微型組件可分為微型溫差發(fā)電器、微型溫差電傳感器和微型溫差電致冷器。其工藝大致分3類，一是塊狀材料為基礎(chǔ)的工藝，二是薄膜和微電子機(jī)械工藝（MEMS），三是厚膜工藝。第一類以精工手表電池為代表，第二類以EG＆G公司熱電傳感器為代表，第三類以美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的微型組件為代表?？梢灶A(yù)見(jiàn)，微型溫差電器件將有美好的應(yīng)用前景。第五頁(yè)，共14頁(yè)。背景(bèijǐng)資料溫差發(fā)電器效率較低，一般不大于8％，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。溫差(wēnchā)電一門(mén)古老而又年輕的學(xué)科實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器今天我們經(jīng)常提到的電子致冷所依賴的珀?duì)柼?yīng)是法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼?834年發(fā)現(xiàn)的，它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度(例如，水的沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100℃；理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢(shì)和總湯姆遜電勢(shì)所組成，即：背景(bèijǐng)資料溫差電技術(shù)的真正復(fù)興可以認(rèn)為從二十世紀(jì)30年代開(kāi)始，杰出的蘇聯(lián)物理學(xué)家約飛最早提出采用半導(dǎo)體材料作為溫差電換能材料，特別是首先提出的固熔體合金的概念，為溫差電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理1．熱電偶與溫差電效應(yīng)若將A、B兩根不同的金屬或合金絲的端點(diǎn)互相連接(接點(diǎn)焊接或熔接)成為一閉合回路，并使兩接點(diǎn)處于不同溫度如圖1所示，則由于溫差電效應(yīng)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這種閉合回路稱為熱電偶。圖1接觸電勢(shì)差原理圖++++++AB熱電偶回路中產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)是由佩爾捷電動(dòng)勢(shì)和湯姆遜電動(dòng)勢(shì)聯(lián)合組成的佩爾捷電動(dòng)勢(shì)：在兩種金屬的結(jié)點(diǎn)處，由于電子擴(kuò)散的結(jié)果而產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，其熱端和冷端的總接觸電勢(shì)差為：湯姆遜電動(dòng)勢(shì)：同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)差，在熱電偶回路中，兩種金屬總的湯姆遜電動(dòng)勢(shì)電勢(shì)為：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的總接觸電勢(shì)和總湯姆遜電勢(shì)所組成，即：

第六頁(yè)，共14頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理

因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式式中，為熱端溫度；是冷端溫度；而、是電偶常數(shù)，它們的大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似

稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為毫伏/度。

第七頁(yè)，共14頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理2．熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo)溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖2所示。MAB工作端自由端（a）圖2MAABB工作端自由端（b）

參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（273.16K），液氮（LN）的沸點(diǎn)（77.35K），或液氦（LHe）的沸點(diǎn)（4.2K）等。如果熱電偶工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無(wú)關(guān)。用電位差計(jì)測(cè)出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。第八頁(yè)，共14頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖3所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖3所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲C將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差計(jì)是常見(jiàn)的用法。

注：ABCC電位差計(jì)圖3第九頁(yè)，共14頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)：

測(cè)量范圍廣：可以從4.2K(－268.950C)的深低溫直至28000C的高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(～2000℃)。測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。靈敏度和準(zhǔn)確度高(可達(dá)10－3度)，特別是鉑姥—鉑熱電偶。受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化，水銀溫度計(jì)則難于可比。構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。第十頁(yè)，共14頁(yè)。溫差發(fā)電器效率較低，一般不大于8％，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器錫的熔點(diǎn)為231．8℃；實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器溫差發(fā)電器效率較低，一般不大于8％，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器塞貝克（Seebeck,ThomasJohann）俄國(guó)-德國(guó)科學(xué)家。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理5×10－3/℃，用這種材料制作的單級(jí)致冷組件的最大溫差可達(dá)到70℃以上。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理

定標(biāo)：

所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度(例如，水的沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100℃；錫的熔點(diǎn)為231．8℃；鋅的熔點(diǎn)為419．8℃)，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，從而得出關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度點(diǎn)數(shù)較少。另一種是比較法，即利用—標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的限制。第十一頁(yè)，共14頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理加熱系統(tǒng)

銅－康銅溫差電偶

測(cè)量系統(tǒng)

第十二頁(yè)，共14頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shíyàn)內(nèi)容背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)處理一、利用實(shí)驗(yàn)室給定的儀器設(shè)備，采用比較法對(duì)由銅－康銅組成的“熱電偶溫度計(jì)”定標(biāo)；

二、用定好標(biāo)的“熱電偶溫度計(jì)”測(cè)量水沸騰時(shí)的溫度。注意事項(xiàng)：1、熱電偶對(duì)溫度有很強(qiáng)的敏感性，對(duì)于康銅熱電偶，溫度每改變10

℃，溫差電動(dòng)勢(shì)約變化40μv，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)使電位差計(jì)與待測(cè)物體隔開(kāi)一定距離，以保持與兩銅引線相接的儀器的兩黃銅接線柱處的溫度相同，可避免兩接點(diǎn)因溫度有差異而產(chǎn)生附加的溫差電動(dòng)勢(shì)。2、在升溫過(guò)程中，應(yīng)盡可能慢些，以保證溫度計(jì)與溫差電偶所測(cè)的溫度是相同的。若用電位差計(jì)測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)、電位差計(jì)應(yīng)跟蹤電動(dòng)勢(shì)變化，始終使電位差計(jì)指針在平衡點(diǎn)附近，以求電動(dòng)勢(shì)讀數(shù)盡可能與溫度計(jì)讀數(shù)處于相同時(shí)刻。第十三頁(yè)，共14頁(yè)。數(shù)據(jù)處理背景(bèijǐng)資料實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1>作圖法根據(jù)所