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热电

热电,指热电现象,是指各种晶体由于温度变化产生的带电现象;热电学是论述热电现象的一个科学分支。

将两块不同的金属(如铜和铁)靠在一起时,由于两金属中自由电子浓度的不同,使得电子从一金属向另一金属扩散转移,电子转移量与金属所处的温度有关。如果将两块金属处于同一温度,那么电子转移会达到一种平衡,这种平衡使得两金属的接触界面上产生一个电势差,称为接触电势。温度不同,接触电势也不同,根据接触电势的大小,可以测量触点所处的温度,这种装置称为热电偶。如果将两个类似于热电偶的金属接触面置于不同的温度下,并用导线将它们连接起来形成闭合回路,那么,在导线中将会产生不间断的电流,这就是最简单的温差发电 [1]

所谓的热电效应,是当受热物体中的电子(空穴),由高温区往低温区移动时,产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小,则是用称为thermopower(Q)的参数来测量,其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场,dT则是温度梯度)。三个基本热电效应:塞贝克(Seebeck)效应,珀尔贴(Peltier)效应,汤姆逊效应

塞贝克(Seebeck)效应

塞贝克(Seeback)效应,又称作第一热电效应,它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。在两种金属A和B组成的回路中,如果使两个接触点的温度不同,则在回路中将出现电流,称为热电流。 塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差,该电势差取决于金属的电子逸出功有效电子密度这两个基本因素。 半导体的温差电动势较大,可用作温差发电器。 [2]

珀尔贴(Peltier)效应

珀尔贴(Peltier)效应,又称为第二热电效应,是指当电流通过A 、B两种金属组成的接触点时,除了因为电流流经电路而产生的焦耳热外,还会在接触点产生吸热或放热的效应,它是塞贝克效应的逆反应。

由于焦耳热与电流方向无关,因此珀尔贴热可以用反向两次通电的方法测得。 [2]

汤姆逊效应

1856年,汤姆逊利用他所创立的热力学原理塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析,并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为,在绝对零度时,帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上,他又从理论上预言了一种新的温差电效应,即当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。或者反过来,当一根金属棒的两端温度不同时,金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆逊效应(Thomson effect),成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应(thermoelectric effect)。

汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象,帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差(其中的一端产生热量,另一端吸收热量)的现象,两者结合起来就构成了塞贝克效应 [2]

热电堆是由多个热电偶的串联而成。

热电堆的结构:辐射接收面分为若干块,每块接一个热电偶,把它们串联起来,就构成热电堆。按用途不同,实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型,亦可制成多通道型和阵列型器件。 [1]

热电比即热电厂发热量和发电量的比值。根据《关于发展热电联产的规定》,要求供热式汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联产,应符合下列指标:

A、 所有热电联产机组总热效率年平均大于45-。热效率=(供热量+供电量X 3600千焦/千瓦时)/(燃料总消耗量X燃料单位低位热值)X 100-。

B、 单机容量在5万千瓦以下的热电机组,其热电比年平均应大于100-;单机容量在5万千瓦至20万千瓦以下的热电机组,其热电比年平均应大于50-;单机容量20万千瓦及以上抽汽凝汽两用供热机组,采暖期热电比应大于50-。热电比=供热量/(供电量X 3600千焦/千瓦时)X 100-。

注:供热量单位采用千焦,供电量单位采用千瓦时,燃料总消耗量单位采用千克,燃料单位低位热值千焦/千克,这两个条件是衡量热电机组是否达标的必备条件。 [1]

当矿物温度变化时,在晶体的某些结晶方向产生荷的性质称为热电性

矿物的热电性主要存在于无对称中心、具有极性轴的介电质矿物晶体中。如电气石方硼石

热电性是指宝石矿物在外界温度变化时,在晶体的某些方向产生电荷的性质。热电性最初发现于石英中。

热释电材料钛酸铅、硫酸三甘肽具有材料表面在受热情况下出现电荷的现象,这种现象是由于此类物质的分子有自发极化作用形成电偶极子在物体表面吸附环境中的静电荷达到中和,但温度变化下其自发极化强度相应改变从而在物体表面出现多余的电荷,我们称材料的这种表现为热释电效应。热释电效应是热电性的一个重要方面。 [1]

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器热电制冷的应用提供了理论依据。如随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动,需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统,热电发电对这些应用尤其合适。随着全球工业化进程的加快, 世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题, 严重制约着社会长期稳定发展。研究和开发新能源已经成为全球能源发展的趋势。生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能,例如:汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等。如果能将这些热能善加利用,即可成为再次使用的能源;电能是最广泛使用的能源形式,但是目前发电的主要形式还是化石能源,这些能源的使用在给我们带来便利的同时,也带来了全球关注的环境问题;现代制冷技术给人们生活带来了很多便利,但是氟里昂制冷剂所带来的环境问题却不容忽视。热电材料以其独特的性能成为一种很有发展前途的功能材料, 它的应用包括温差发电和温差制冷。什么是热电材料呢?热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。人们对热电材料的认识具有悠久的历史。1823年,德国人塞贝克(Seebeck)发现了材料两端的温差可以产生电压,也就是通常所说的温差电现象。1834年,法国钟表匠珀耳帖(Peltier)在法国《物理学和化学年鉴》上发表了他在两种不同导体的边界附近(当有电流流过时)所观察到的温差反常的论文。这两个现象表明了热可以致电,而同时电反过来也能转变成热或者用来制冷,这两个现象分别被命名为塞贝克效应珀耳帖效应。它们为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。 [1]

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