第2-3讲 热电

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,2.12,材料的热电性能,(Thermoelectricity),在材料中存在,电位差,时会产生,电流,，存在,温度差,时会产生,热流,。从电子论的观点看，在金属和半导体中，无论是电流还是热流，都与电子有关。故温度差，电位差，电流，热流之间存在交叉联系，这就构成了热电效应。,I,三个基本热电效应,塞贝克效应,(1821,年发现,),珀耳帖效应,(1834,年发现,),汤姆逊效应 （,1854,年发现）,材料的热电性能,一，,塞贝克效应,(1821,年塞贝克发现,),一度的热电势：,=,dE/dt,=a+2bt+3ct,2,T1,T2,12,金属：,V/,半导体：,mV/,热电偶,铂铑,(Pt-13%Rh)-,铂热电偶,:,可测,1700,高温,；,镍铬,(Cr10%)-,镍,(Al5%):,高灵敏度,随,T,线性,变化,(0 1000 ),；,铜,-,康铜,(60%Cu+40%Ni),热电偶,:,可测,15KRT,甚至,400 ,；,金钴合金,-,铜：, 4 K,。,热电偶材料在,USA,每年消耗几百吨。,半导体温差发电,特点,：,体积小,，,轻，,简单,，,安静,，,可利用多种热源,应用广：心脏起博器，石油井台，航海灯塔，无人岛屿观测站，航空飞行器等。,高灵敏度测温。足以探测微弱的温差，红外辐射。,逆效应：制冷机,12,T1,T2,温差电堆：,1.,接触电位差,V,12,=(V,2,-V,1,)+(kT/e)ln(n,1,/n,2,),其中，,V,1,和,V,2,是金属,12,的,逸出电位,(,逸出功,),。,T,2,V,12,(T,1,),V,12,(T,2,),T,1,V,1,(T,1,，T,2,),V,2,(T,1,，T,2,),对于,1,和,2,两种金属组成的回路，若两端温度,T1=T2,，则,12=V12(T1)-V12(T2)=0,若,T1 T2,，则,12=V12(T1)-V12(T2) 0,n1,n2,+,+,+,-,-,-,2.,温差电位差,V,1,(T,1,，T,2,),T,1,T,2,+ + +,- - -,-,Fe,F,T,T,2,V,12,(T,1,),V,12,(T,2,),T,1,V,1,(T,1,，T,2,),V,2,(T,1,，T,2,),温差导致热扩散力,FT,等于电场力,Fe,时：,12,=V,12,(T,1,)-V,12,(T,2,)+V,2,(T,1,，,T,2,)-V,1,(T,1,，,T,2,),前两项是两接头的接触电位差的差，,后两项是两种金属上的温差电位差的差。,两种金属以上回路的热电势,加法定则,: E,A-B,= E,A-C,+ E,C-B,V,Cu,Fe,Pt,相加法则,：,E,Pt,-Fe,= E,pt-Cu,+ E,Cu-Fe,V,Pt,Pt-,Rh,微细试样测温示意图,100,C,100,C,0,C,二，珀耳帖效应,现象：,电流方向与电势方向,一致放热，反之吸热。,解释：,接触电势电子加速而,放热；反之吸热。,用途：,金属热电偶的,Peltir,效应,小，,半导体热电,偶的,Peltir,效应大，,制冷温差可达,150,之,多，,尤其对小容量制冷相当优越,，,适用于各种小型恒温器适合于,无声,，无,污染,，,无干扰等特殊场合,。如,宇航飞行器,，,人造卫,星,，,红外线探测器等冷却装置上,。,+,-,+,- - - -,E,+,- - - -,E,放热,吸热,I,三，汤姆逊效应,1854,年汤姆逊发现电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，方向视电流的方向和温度梯度而定。,+,+,+,-,-,-,V,高,温,T1,低,温,T2,T1,+,+,+,-,-,-,V,I,T2,-,-,-,Q,放热,Q,放热,+,+,+,V,I,T1,T2,Q,吸热,Q,吸热,影响热电势的因素,一，合金元素的影响,不同金属由于其电子逸出功和自由电子密度不同,，,热电势也不相同,。,纯金属热电势的排序,(,后者更负,),：,Si,Sb, Fe, Mo,Cd, W, Au, Ag, Zn,Rh,Ir, Ti, Cs, Ta,Sn,Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Na, Pd, K, Ni, Co, Bi,。,在,两根,不同金属丝间串联另一种金属,，,只要串联金属两端的温度相同,，则,回路中产生的总热电势只与原有两种金属的性质有关,，而与,串联入的中间金属无关,。,形成半导体性质的化合物时,，共价,结合增强,，会使热电势,显著增强,一，贵金属的费密能大约,6eV,而,过渡族金属和它们的低浓度合金的,“,相当,”,费密能大约只有,1eV,。,过渡族金属及其低浓度合金的热电势系数至少是一价贵金属的,2,倍,。,因此,，,过渡族金属及其合金做成的热电偶要比贵金属做的热电偶产生更大的热电势。,而且，,E,与温度,T,的关系 具有,良好的线性,。,二，温度的影响,:,E = at + bt2 + ct3,t,为热端温度，冷端为,0,C,。,Pt,Pt,70,Rh,30,三，合金化的影响,绝对热电势：,金属,(,或合金,),与超导体成偶在超导临界温度以下测得的热电势,e,a,固溶体合金,：,e,a,=,e,i,+,0,(e,b,-,e,i,)/,a,e,i,为附加热电势,，,e,b,为基体热电势，,0,和,a,分别为基,体金属和合金的电阻率,。对低,浓度固溶体合金正确。,Matthiesens,rule:,a,= ,a,+,r,c,在,形成连续固溶体时,，热电势与,浓度关系呈悬链式变,化,，但,过渡族元素往往不符合这种规律,。,形成化合物时,，其热电势会,发生突变,。,具有半导体性,质化合物由于共价结合的加强,，热电势,显著增加,。,四，组织转变,同素异构转变：见,Fe-Pt,热电偶的热电势,e,(,V/K),20,10,30,0,400,800,1200,A2,A3,A4,t/,C,2).,马氏体转变是无扩散转变，即钢的微观成分没有变化，但由于结构不同，热电性有较大的差别。,如,Ni30%,合金钢，,奥氏体,: E=3.6,V/,；,马氏体,: E=34.4 V/.,e,T/,400,800,1200,A2,A3,A4,Fe-Pt,热电偶的热,电势,亚稳态固溶体合金的析出,过饱和固溶体的时效或回火析出对合金热电势产生影响：一是固溶体基体中合金元素的贫化；二是第二相的生成。,W,Fe,= 0.5%,W,Fe,= 2.2%,E,t,回火时间,600,C,500,C,Cu-Fe,合金经固溶处,理后进行等温回火,。,析出,相,导致,E,随,回火,时间增长而逐渐变小,Ni3Mn,合金的有序化将导致,E,下降,。若沿热,电流方向施加外磁场,，,磁场也使,E,变化。,磁场,H,对热电势,影响很明显,，如在,1K,下，对“,银,-,金铁,”,热电偶加,16,10,5,Am,-1,横向磁场,E,变化,20%,。,磁场改变了与费米能级有关的能态密度,，,从而引起电导率和热电势的相应变化,。,塑性形变的影响,加工硬化使热电势值增大；加工硬化的铁与退火态,的铁成偶，前者为负，后者为正。,队固溶体合金进行冷形变，由于形变直接或间接引,起脱溶，析出或马氏体转变时，将导致合金热电势,发生相应变化。,有序,-,无序转变,钢的含碳量及热处理的影响,如测量,100,度温差的铜,-,康铜热电偶，在压力从零升到,1,。,2,10,9,Pa,的,过程中,，,0100,度,范围内热电势的平均变化率为,：,3 10,-10,PVC,-1,Pa,-1,压力引起原子大小及其间距在电压下发生了变化,，,提高了费米面,，,改变了能带结构,，,从而影响扩散热电势,。,其次,，,高压改变了声速,，声子,极化以及电子,-,声子的交互作用,，,从而影响热电势,。,这些因素只在高压下需要考虑,，,一般情况可以忽略,。,压力的影响,:,热电势的测量,测量热电势目的：,分析合金成分和组织结构变化,。,热电偶：,必须选用在测量温度范围内组织稳定的金属或合金与试样组成电偶。,常用：棒状试样,+,完全退火的导线,G1,和,G2 (,材料与试样相同,),。,T1 - T2,由示差热电偶测量；,热电势差,E,由试样的组织,变化引起：由示差热电偶,测量。常温下测量,E,的,装置,：,T,T1,T2,T+,T,测量微小热电势装置的示意图,E,T,恒温槽,热电性分析的应用,一，铝合金的时效,试样：,Al,88,Mg,4,Zn,8,;,淬火态得到过饱和的固溶体组织,。,不同温度时效,30,分钟,。,热电偶,：,时效态试样,G1+,该,合金经,275,度完全退火态,G2,。,50,度,以下冷时效,：,Mg,和,Zn,发生偏聚,，,形成,G.P.,区。,50275,度,温时效,：,析出,Al,2,Mg,2,Zn,3,相,，固溶体正常分解,。,300,度,时效,：,多余的析出相重新回溶,，,合金元素增多导 致电阻率增大,。,热电势,E-,时效温度,T,关系图的反常现象：,125,度,E,出现极大值,；,125275,度,E,出现负值,。,低温时效,E,降低是,Mg,和,Zn,原子发生偏聚所致,。,偏聚最大时出现谷值,。,高于谷值表明偏聚程度降低,。,高温时效,E,下降意味析出新相,，,析出相越多,，,E,越底，基体,合金贫化,。,e,0,t/,C,50,125,150,225,275,冷,时效,温时效,自学内容,压电效应及其应用,热释电效应,(,铁电性,),及其应用,光电效应及其应用,磁电效应,(,霍尔效应,磁电阻效应,),复习题,什么叫塞贝克效应,?,其机理是什么,?,有何应用,?,影响热电势的因素有哪些,?,合金形成化合物时,共价键的加强对热电势有何影响,?,什么叫玻尔帖效应,?,其机理是什么,?,有何应用,?,