温差電現象

温差電效應研究是一門古老而又年輕的學科，它很好的將温度差異和電壓的產生兩者聯繫起來，被廣泛應用於高温測量、温差發電等領域。構成温差電技術的基礎有三個基本效應：塞貝克效應、珀爾帖效應和湯姆遜效應。早在1821年，德國科學家塞貝克就發現了温差電的第一個效應，所以，人們稱之為塞貝克效應——將兩種不同的金屬連接，構成一個閉合迴路，如果兩個接頭處存在温差，迴路中便產生電流。該效應便成了温差發電的技術基礎。1834年法國科學家珀爾帖發現電致冷所依賴的珀爾帖效應，它是塞貝克效應的逆效應——將兩種不同的金屬連接，構成一個閉合迴路，如果迴路中存在直流電流，兩個接頭之間便會產生温差。而第三個效應——湯姆遜效應，是湯姆遜在1856年發現的 ^[1]  。

將兩個不同導體（或半導體）兩端相連，組成一回路，當兩個接頭處在不同温度時，在迴路中有電動勢產生的現象。1821年由德國物理學家T.塞貝克發現。這電動勢稱為温差電動勢。單位温度差所產生的電動勢稱為温差電動勢率：

α₁₂=ε/ΔT

式中ε為温差電動勢，ΔT為兩個接頭的温度差。温差電動勢率的數值決定於兩種連接材料的性質，它可表示成：

α₁₂=α₁－α₂

式中α₁、α₂為只與材料有關的參量，稱為材料1和材料2的絕對温差電動勢率。半導體的絕對温差電動勢率約比金屬的大1,000倍。温差電動勢率也與温度有關，隨着温度的上升稍有下降。金屬的塞貝克效應常被應用於測量温度，而半導體的塞貝克效應常可被用來將熱能直接轉化成電能，即製成半導體温差發電器。 ^[2] 

當有電流通過由兩種不同材料組成的迴路時，在兩種材料的接頭處會發生吸熱或放熱的現象。1834年由法國物理學家J.珀耳帖發現。若由導體1到導體2流過接頭的電流為I，接頭處單位時間內吸收或放出熱量為Q，則有：

Q=Π₁₂I

式中Π₁₂稱為珀耳帖係數，正時表示吸熱，負時表示放熱。珀耳帖效應是可逆現象，當電流反向時，原來在接頭處吸熱的變為放熱，原來放熱的變為吸熱，即：

Π₁₂=－Π₂₁

珀耳帖係數與兩種連接材料的性質及接頭處的温度有關，亦可表示成：

Π₁₂=Π₁－Π₂

這裏Π₁、Π₂只與材料的性質有關，它們與材料1及材料2的絕對温差電動勢率α₁、α₂成正比：

Π₁=α₁T

Π₂=α₂T

式中T為接頭處的絕對温度。由此可見，半導體的珀耳帖係數也比金屬大得多。利用半導體的珀耳帖效應可製造致冷機。在製作温差發電機及致冷機時，為了提高效率必須選擇絕對温差電動勢率高，而熱導率及電阻率低的材料，常採用一綜合參量——優值Z來衡量材料的優劣：

Z=α²/μρ

式中μ及ρ分別表示熱導率及電阻率。半導體Bi₂Te₃被認為是一種重要的温差電材料，它的絕對温差電動勢率α約為2×10伏/開，μ=1.5瓦/(米·開)，ρ=10^－5歐·米，可得Z≈2.7×10^－3/開。

當有電流流過存在温度梯度的導體（或半導體）時，除焦耳熱外，還會產生附加的吸熱或放熱的現象。1856年由英國物理學家W.湯姆孫發現，稱為湯姆孫效應。單位時間單位體積所吸收或放出的熱量可表示為：

Q=σjΔT/Δx

式中j為流過導體的電流密度，ΔT為導體兩端的温度差，Δx為導體的長度。σ稱為湯姆孫係數。湯姆孫效應是可逆的熱效應，當電流反向時吸熱的變成放熱。σ的大小及符號決定於材料的性質與温度，它與材料的絕對温差電動率有下面的關係：

α=∫₀^TσdT/T

上式提供了一種測量絕對温差電動勢率的方法 ^[3]  。