操作原理

塞贝克效应

1821年,德国物理学家托马斯•约翰•塞贝克发现,当两条不同的导电材料分离沿其长度但连接在一起的两个“腿”的末端,a磁场发达的腿,两个路口之间的温差的存在。第二年他出版了他的观察,这一现象被称为塞贝克效应。然而,塞贝克没有确定磁场的原因。这个磁场的结果相等但相反的电流在两个金属条腿。这些电流造成的电势差异在路口诱导通过热材料之间的差异。如果一个结是开放的,但温差,电流不再流腿但电压可以测量开路。这个生成的电压(V)是塞贝克电压和温差(Δ有关T)加热结和开放之间的连接由一个比例系数(α)称塞贝克系数,或V=αΔT。α的值依赖于类型的材料的交界处。

珀尔帖效应

1834年,法国物理学家和钟表匠Jean-Charles-Athanase珀尔帖效应观察到,如果电流通过一个结的上述类型,测量产生的数量不符合预测仅仅是什么电阻加热所致电阻。这一观点被称为珀尔帖效应。在塞贝克的案例中,珀尔帖效应未能定义的原因异常。他不确定热量吸收或进化交界处取决于电流的方向。他还没有认识到可逆的热电现象,他也没有将他的发现与塞贝克。

汤姆逊效应

直到1855年,威廉·汤姆森(后来开尔文勋爵)塞贝克和珀尔帖效应之间的联系,这是第一个重大贡献的理解热电现象。他表明,珀尔帖热或功率(问_p)在一个结结电流成比例(我)的关系问_p=π我π是珀尔帖效应系数。通过热力学分析,汤森也显示塞贝克和珀尔帖效应之间的直接关系,即π=αT,在那里T结的温度。此外,在热力学的基础上考虑,他预测什么被称为汤姆逊效应热功率(问_τ)被吸收或进化沿着材料的杆,其目的是在不同的温度下。这些热量被证明是成正比的流动电流和温度梯度沿杆。的比例系数τ是众所周知的汤姆逊系数。

热电装置的分析

实际上,的热电性质使用只有一个热电设备充分被描述参数塞贝克系数α。就像汤森,珀尔帖效应系数等于在一个交叉路口塞贝克系数乘以操作结温。汤姆逊效应相对较小,因此它通常被忽视。

虽然塞贝克效应在不同金属之间的连接,效果很小。一个更大的塞贝克效应是通过使用p- - - - - -n连接之间的p类型和n类型半导体材料,通常硅或锗。的图显示p类型和n类型半导体腿热源和散热器之间的电力负载阻力R_l连接在低温结束。一个实际的热电装置可以由许多p类型和n类型半导体腿并行连接串联电和热常见的热源和散热器之间。其行为可以讨论考虑只有一个。

热的理解电力流在热电装置包括两个因素除了塞贝克效应。首先是热传导的两个半导体源和水槽之间的腿。热这两个腿是由向下流动2κ(一个/l)ΔT,在κ瓦特/ metre-kelvin平均热导率,一个(或w²)是平方米的面积的基础上每条腿,l是米,每条腿的长度,Δ吗T源和目的地之间的温差是开尔文。第二个因素是欧姆加热,发生在两个腿,因为电阻。每条腿中产生的热功率是由ρ我²(l/一个),ρ是平均电在哪里电阻率ohm-metres的半导体材料我是电流在安培。大约一半的resistance-produced热量的两条腿流向源和一半向下沉。

在热电发电机,温度微分上下表面之间的两条腿的设备可能导致电力的产生。如果没有连接到发电机,电力负荷应用热源温差(Δ力量的结果T)和一个值决定的导热系数p- - -n类型半导体腿和他们的尺寸。相同数量的热功率提取散热器。然而,由于塞贝克效应,一个电压V_α=αΔT将出席的输出终端。电力负荷是附加到这些终端时,电流将流过负载。产生的电力设备等于产品的塞贝克系数α,当前我,温度微分ΔT。对于一个给定的温度差异,当前的流动导致增加热能的装置产生的电力。一些电力设备中生成消散通过电阻加热电阻的两条腿。剩余的电能输出到负载电阻R_l。

腿几何操作有相当大的影响。的热传导权力是依赖于区域长度的比值,而欧姆加热取决于这个比率的倒数。因此,这一比率的增加增加了热传导权力,但降低了功率耗散的腿抗性。一个优化设计通常导致相对细长的腿。

在选择或开发半导体材料适用于热电发电机,一个有用的品质因数是塞贝克系数(α)的平方除以电阻率的乘积(ρ)和热导率(κ)。