温差电效应及其应用

温差电效应及其应用题 目：温差效应的原来及应用所属课程: 电磁学院 系: 物理与空间科学学院专 业: 物理学班 级: 2015级5班姓 名: 王俊学 号: 4指导老师: 刘立军2016年12月6日摘要：本文首先系统阐述了温差电效应，包括温差电效应现象的发现和基本内容，接着介绍了近年来温差电效应研究的应用，重点介绍温差电效应在温度测量、温差发电和温差电制冷方面的最新应用，最后对温差电效应在一些新科技领域的潜在应用进行了展望。关键词：温差电效应；温差发电；温差电制冷引言：温差电效应研究是一门古老而又年轻的学科，它很好的将温度差异和电压的产生两者联系起来，被广泛应用于高温测量、温差发电等领域。构成温差电技术的基础有三个基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。早在1821年，德国科学家塞贝克就发现了温差电的第一个效应，所以，人们称之为塞贝克效应将两种不同的金属连接，构成一个闭合回路，如果两个接头处存在温差，回路中便产生电流。该效应便成了温差发电的技术基础。1834年法国科学家珀尔帖发现电致冷所依赖的珀尔帖效应，它是塞贝克效应的逆效应将两种不同的金属连接，构成一个闭合回路，如果回路中存在直流电流，两个接头之间便会产生温差。而第三个效应汤姆逊效应，是汤姆逊在1856年发现的。汤姆逊效应是指金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。1.温差电效应 将两种不同的金属相连接，并在两接头处保持不同的温度，电路中将存在温度梯度和化学势梯度，因而同时产生热流和粒子流，出现交叉现象。这就是温差电效应1。如图1所示，由A、B两种金属接成的热电偶，在两接点处保持不同的温度T和T+T，发现回路中两接点将产生电势差,并且与两接点处的温度差T成正比，即=T，其中是温差电动势系数，它与材料及温度有关。J表示电流密度2。图1 温差电效应原理2温差电效应的应用 可能现在大家对温差电效应有所了解，然而，在温差电现象发现后一百多年里，却一直未得到实际的应用，原因就是利用金属合金做成的温差电偶的温差电致冷效应很弱，温差电技术真正复兴，可以认为是从20世纪30年代开始，杰出的苏联物理学家约飞，最早提出了用半导体材料，作为温差电换能的材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为近现代温差电技术的研发与实际应用奠定了理论与技术基础。直到二十世纪五十年代，由于半导体科学技术的发展，科学家发现用半导体材料构成的温差电偶，其温差电效应相当显著。之后，许多科学家在这方面做出了杰出贡献，到六十年代，温差电致冷达到了实用化阶段。 前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家，曾首先在温差发电和温差电致冷方面进行了最广泛的研究。现在，他们的科研成果正逐渐从航天、军事领域向市场需求方面转化。美国也是温差电技术的强国之一，而且美国研究温差电的技术领域得到美国政府，尤其是军方的支持。从六七十年代开始，我国的科研人员才对温差电技术展开了较广泛的研究，这使我国目前已成为世界上温差电产品生产量最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。半导体材料的研发与应用，极大地推动了温差电技术的发展。目前，温差电已形成了一个新的行业，新产品不断出现，整个行业处在上升阶段，发展前景十分广阔。随着技术的发展，也随着氟里昂等具有温室效应的制冷剂在全球禁用，温差电致冷技术显得越来越显得重要，市场会越来越大3。温差电效应的应用：温度测量、温差发电与温差电制冷21温度测量 温度测量方面的典型代表是温差电偶温度计。温差电偶温度计是一种工业上广泛应用的测温仪器。它的制成就是利用了温差电现象。两种不同的金属丝焊接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接形成电路。把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测定另一处的温度。 通过对温差电偶温度计工作原理的了解，我们可以发现温差电偶温度计的优点： （1）测量范围广：可以从4.2K(268.95)的深低温（绝对零度0 k，即-273.15）直至2800的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(2000)。而且材料不同，测温的范围也有不同。例如，铜和康铜构成的温差电偶的测温范围在200400之间；铁和康铜则被使用在2001000之间；由铂和铂铑合金（铑10%）构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上；铱和铱铑（铑50%）可用在2300；若用钨和钼（钼25%）则可高达2600。 （2）测量精度高：热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，从而减少了无关量的影响，提高测量精度。 （3）受热面积和热容量可做得很小，实现小范围高精度测温，如研究金相变化、小生物体温变化，而水银温度计则难于可比。 （4）构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 （5）由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统，从而提升了工作中人机关系的安全性和舒适性。例如，在金属冶炼熔炉，核电站反应堆等有高温的特殊场合，应用热电偶温度计，可以实现远距离测温，进而采取下一步措施。22温差发电及其应用 温差发电是利用热电转换材料，将热能转化为电能的全静态直接发电方式,具有设备结构紧凑、性能可靠、运行时无噪声、无磨损、无泄漏、移动灵活等优点，有微小温差存在的情况下即可产生电势，在军事、航天、医学、微电子领域具有重要的作用。图2温差发电的原理示意图 温差发电原理，如图2所示：将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合，并使他处于高温状态，另一端开路并处于低温状态。因为高温端的热激发作用较强，这一端的电子和空穴浓度比低温端高，在这种浓度梯度的驱动下，电子和空穴向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。将多对N型和P型热电转换材料连接起来组成模块，就能得到很高的电压，从而，形成一个温差发电机。有微小的温差存在的条件下，这种发电机就能将热能直接转化为电能，并且在转换过程中，没有机械运动部件，也没有液态或气态的介质存在，因此，该种发电机具有体积小、重量轻、适应范围广、对环境无任何污染、安全可靠的优点，是一种理想的绿色电源。温差发电机这种灵活、绿色、安静和微小体积的特点，使他在许多领域发挥着重要的作用。温度测量用的热电偶实际上就是一个典型的温差发电器，但是它并没有被当作电源来使用，因此，一般不把它归于温差发电器的行列。 温差发电器根据热端工作温度不同，可以分为高温（700以上）、中温（400700）和低温（400以下）发电器。高温发电器用的换能材料，主要有锗硅合金和硅铁合金等；中温发电器用的换能材料，主要是碲化铅以及其合金；低温发电器用的换能材料，主要是碲化铋以及其合金。 温差发电器按照所使用的热源不同，可分为：（1）放射性同位素温差发电器，它是把放射性同位素（如钚-238，锶-90，钋-210等）的衰变热直接转换成电能；（2）烃燃料温差发电器，包括使用天然气、水煤气、液化石油气等气体燃料的发电器和使用煤油和汽油等液体燃料的发电器；（3）余热温差发电器，将各种形式可以利用的余热直接转变为电能5。温差发电器寿命长、可靠性高、工作时无噪声、不需或只需极少维护。 近半个世纪以来，人们已经发射了无数宇宙飞行器和探测器。同位素温差发电器，是到目前为止星际飞行器的最佳的辅助电源。美国和前苏联是研制和使用同位素温差发电器最多的国家，仅美国自1961年以来，在太空飞行器中安装使用的同位素温差发电器总数约40个，这些同位素温差发电器的输出功率从2.7瓦到300瓦不等，仅一枚硬币大小的放射性同位素热源，就能够连续不断地提供长达二十年以上的电能，其中最长工作时间有的已超过30年78，这是其他任何一种能源技术所不能比拟的。美国国家航空和宇航局(NASA)已先后在其阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利 略 和 尤 利 西 斯号宇宙飞船上，使用以各种放射性同位素为热源的温差发电装置。其中1977年发射的旅行者2号行星际飞行器，使 用 的 就 是 钚-238同 位 素 温 差 发 电 器，已 成 功地 飞 越 了 木 星、土星、天王星和海王星，现在已经飞出太阳系，当然，温差发电器仍在 正常 工作。与 太阳 能电池相比，放射性同位素温差发电系统不仅具有使用寿命长和性能可靠的优点，而且拥有诱人的比体积和比重量。如果尤利西斯号飞船是按照太阳能电池进行结构设计，那么其仅携带电池板的重量就能达到550kg，这已经是飞船自身重量 的 两倍，而且，对 运载 火箭 来说，也是 难以负载 的。但是 当采用 温差发电 系统 时，发电机的重量却只有56kg，不仅完全可以满足飞船在航行、通讯和科学仪器使用方面的所有用电要求，更极大的降低了飞船的起飞重量，使发射任务难度大 为 降 低。此 外，同 位 素 温 差 发 电 器 还 在 星 球 表 面着 陆 器、长 寿 命 导 航 卫 星、侦 察卫星、极地或海底探测仪器以及心脏起搏器等的电源发挥着重要的作用45。（图3为美国NASA研制的用于宇宙飞船上的放射性同位素温差发电机外形图,图4为放射性同位素温差电系统剖面图）图3 美国NASA研制的用于宇宙飞船上的放射性同位素温差发电机外形图图4放射性同位素温差电系统剖面图 放射性同位素发电机除了在航天领域发挥重要作用外，海军是其第二大用户。上世纪80年代初期，美国就研制成功了5001000W军用温差发电机，并在80年代末，这种发电机被正式列入部队装备。这种发电机最大的优点是无振动、无声音、隐蔽，在潜艇和远程信号的传输等方面具有重要作用。 气体或液体燃料温差发电器的用途更加广泛，如在边远或偏僻地区的气象站、地震测试站、海上导航灯塔浮标，甚至是海底电缆中继站和各种海下科学仪器都可以使用。我国西气东输工程中使用直径超过3米的输气管道，总长度达6000公里。智能控制且以天然气为燃料的温差发电器已经被我国科学家研制成功，它将在西气东输工程中被用做输气管道的阴极保护电源，保护着这条大动脉的安全运行45。 温差发电器可以利用的热源也是多种多样的。目前，日本科学家正致力于一种大容量的温差发电系统的研制与开发，并计划在不久的将来，实现工业化发电。这一系统发电主要利用的是垃圾燃烧时发出的热量，在提供电的同时又减少了环境污染，而且为人类的环保事业作出了重大贡献。最近，我国科学家还成功地开发出供热能表使用的温差发电器，这种发电器是以供热管道内的热水或蒸汽作热源，为热量表提供电源4。23温差电制冷及其应用 温差电制冷是利用珀耳帖效应用电能来传递热量。因为温差电致冷用的材料通常为半导体材料，因此，温差电致冷又常被称为半导体致冷或电子致冷。温差电致冷产品的核心是温差电致冷组件。目前，致冷组件的外表面一般为绝缘且导热良好的氧化铝陶瓷。温差电制冷的原理如图5所示。图5温差电制冷的原理示意图 半导体温差电制冷器是由N型半导体和P型半导体构成的温差电偶，用铜片把两个半导体连接起来。 宏观上，电流I由N型半导体流向P型半导体时，该接头吸收珀耳帖热；在另一接头，电流由P型半导体流向N型半导体，有热量释放出来。 微观上，外电场使P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子都向热面运动，并在接头附近发生复合，空穴、电子对复合前的势能和动能，变成接头处晶格的热振动能量，从而有大量热量释放出来。而在致冷组件的冷面，外电场使空穴和电子都离开接头，在接头处要产生空穴、电子对，空穴、电子对的能量来自晶格的热振动能，从而可以观察到明显的吸热现象。再通过各种各样的散热方式，把热端的热量带走，冷端就能保持较低温度。在热平衡条件下，冷端所能达到的温度，取决于半导体材料的温差电特性和冷端的热负载以及器件的设计（工作状态、散热条件等）。 半导体致冷技术的应用广泛、产品众多。医用低温床垫、医用冷帽可以减少心脑血管病人的痛苦，并有良好的辅助治疗效果。显微镜冷冻台、切片冷冻台，更是医疗方面不可缺少的装置。半导体致冷露点仪在科学研究领域大量使用，该仪器的控温精度能达到千分之一度。石油分析中的倾点、凝点等测试仪，更是半导体致冷的用武之地。半导体致冷的除湿机在文件资料、磁盘光盘、高级服装的保存方面也起着重要作用。美国通用公司已经成功开发出半导体致冷的司机座垫，而且该座垫使用了一种先进的柔性连接结构，使座垫更加安全、舒适。半导体致冷散热器将彻底消除CPU工作时的温度过高现象7，从而更好地保护电脑的心脏4。 温差电致冷组件也是一种没有机械转动部件的固态器件，而且这种组件体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，在工作时无噪声、不释放有害化学物质（如氟氯烃），还能在任意角度安装，只需要改变电流方向便可实现致冷和加热的功能，而且调节电流大小可以精确控制温度。由于这一系列优点，所以温差电制冷在工业、农业、科学研究和国防等各领域都得到了广泛的应用。尤其对军事、航天领域的应用极为重要。 温度对红外探测器的灵敏度，有很大的影响，温度低，信噪比则高，图像就更清晰。军用红外探测器可使用温差电致冷技术降低温度，从而提高信噪比。像红外探测器一样的CCD器件，也需要低温工作。CCD器件使用的温差电制冷组件，一般为二级或三级微型组件，是采用特殊结构，把CCD器件和致冷组件焊接在一起并进行封装4。 军用方舱通讯车利用温差电制冷技术，可使其中的各种控制仪器处在理想的工作温度中。导弹发射装置需要控温，核弹头的储存、运输更是一个需要控温的极其复杂和敏感的过程。采用温差电致冷技术的导弹发射装置，能使导弹发射前处在一定温度，为导弹的成功发射，提供保障。核弹头储运箱也采用了温差电制冷技术，这样核弹头在储存、运输过程中能够始终恒温，确保了核弹头的安全4。 隐蔽性强是潜艇的重要特性之一，因此，安静对潜艇来说，是一项必要要求。 温差电致冷的空调器取代压缩机空调，可极大降低在潜艇上使用时的工作噪声。 我国已经进行了多次载人航天的试验飞行，而且我国的宇航员也已经乘坐我国自行研制的宇宙飞船成功地飞上太空。并且在宇宙飞船上将进行了大量的科学试验，而采用温差电致冷技术的生物培养箱是搭载生物试验的必不可少的重要装置，该技术可使箱内温度保持在1820，为试验生物的生存条件提供了保障。还有一种专门用来储存宇航员体液的温控箱，可以将搜集的样品安全的带回地面，供医学研究。俄罗斯和美国都曾发射过大型的空间站，空间站中的生命保障系统设计非常复杂，其中就大量使用了温差电致冷技术4。 温差电致冷由于其自身具有的独特优势，所以在卫星、