热电效应 - Thermoelectric Effect

材料 A Cu

结

材料 B Constantan

塞贝克系数 S 0 µV/K

帕尔帖系数 Π 0 mV

汤姆逊系数 τ 0 µV/K

优值 ZT 0

热端温度 T₂: 350 K 冷端温度 T₁: 300 K 温度梯度: 50 K

电流 I: 1.0 A 塞贝克系数 S: 40 µV/K 电阻 R: 1.0 Ω

材料 A 材料 B 热导率 κ: 1.5 W/(m·K)

动画速度: 1x 显示电子流动显示热流显示电压

塞贝克效应 V = S(T₂ - T₁)

帕尔帖效应 Q = Π·I = S·T·I

汤姆逊效应 Q = τ·I·ΔT

汤姆逊系数 τ τ = T·dS/dT

优值 ZT ZT = S²σT/κ

效率 η = (T_h - T_c)/T_h · (√(1+ZT) - 1)/(√(1+ZT) + T_c/T_h)

什么是热电效应？

热电效应涉及热能和电能的相互转换，当材料或结两端维持温差时，或当电流流过温度梯度时发生。这些效应构成了热电偶（温度传感器）、帕尔帖冷却器（固态制冷）和热电发电机（废热回收）的基础。

温差产生电压：塞贝克效应由托马斯·约翰·塞贝克于1821年发现，描述了导体或半导体在温度梯度作用下产生电动势（电压）的现象。当两种不同材料在两个不同温度的结处连接时，会产生电压 V = S(T₂ - T₁)，其中S是塞贝克系数（通常为µV/K），ΔT是温度差。

电流产生热：帕尔帖效应由让·查尔斯·阿塔纳斯·帕尔帖于1834年发现，描述了当电流通过两种不同材料的结时吸热或放热的现象。与焦耳热（I²R）不同，帕尔帖加热/冷却是可逆的：改变电流方向会逆转热流。

温度梯度中的热：汤姆逊效应由威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）于1851年预测，描述了当电流流过具有温度梯度的均匀导体时吸热或放热的现象。汤姆逊热为 Q = τ·I·ΔT，其中τ是与塞贝克系数温度依赖性相关的汤姆逊系数：τ = T·(dS/dT)。

优值ZT：材料性能由无量纲优值 ZT = S²σT/κ 表征，其中S是塞贝克系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率。高ZT需要高功率因子（S²σ）和低热导率。

温度传感：热电偶是最广泛使用的温度传感器。固态制冷：帕尔帖器件提供可靠、紧凑的制冷，无需运动部件或制冷剂。发电：热电发电机将废热直接转换为电能。

热电效应的研究始于19世纪初，连接了热力学和电磁学。托马斯·约翰·塞贝克在1821年发现，当两种不同金属的结处于不同温度时，电路中的罗盘针会偏转。