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賽貝克效應及其逆效應(熱電偶原理)

更新時間:2018/4/18 15:57:07    閱讀:3349    分享此文章:
本文介紹了塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應。

塞貝克效應(SEEBECK EFFECT)

1821年,德國入賽貝克發現了當兩種不同的導體相連接時,如兩個連接點保持不同的溫度,則在導體中產一個溫差電動勢:

V=a△T

式中:V為溫差電動勢

a為溫差電動勢率(賽貝克系數)

△T為接點之間的溫差

1821年,賽貝克發現,把兩種不同的金屬導體接成閉合電路時,如果把它的兩個接點分別置于溫度不同的兩個環境中,則電路中就會有電流產生。這一現象稱為塞貝克(Seebeck)效應,這樣的電路叫做溫差電偶,這種情況下產生電流的電動勢叫做溫差電動勢。例如,鐵與銅的冷接頭為1℃,熱接頭處為100℃,則有5.2毫伏的溫差電動勢產生。

塞貝克效應用途很廣泛,在生產、科學研究及日常生活中溫差電偶常被用來測量溫度(如冶煉及熱處理爐的高溫)、輻射強度、電流等物理量。

如果把若干個溫差電偶串聯起來,把奇數點接頭暴露于熱源,偶數接點固定在一個特定溫度環境中。這樣產生的電動勢等于各個電偶之和。這種裝置叫做溫差電堆。把奇數接頭涂黑,借以完全吸收外來的輻射(可見光、紅外線等),溫差堆的另一端(偶數接頭處)保持一定溫度,在輻射的作用下,涂黑的一端接收了輻射而溫度升高,從而產生溫差電動勢。

建立起溫差電動勢與輻射強度的對應關系,那么就可以利用溫度差電堆來測量輻射強度。如果把這種裝置放在真空中,會提高它的靈敏度。

如果把很多溫差電偶適當聯接起來,就能構成一個能產生幾伏特電動勢和幾安培電流的電池組。但是這種電池組的效率是很低的,溫差電池組是消耗熱能而產生電流的,其最高效率僅為0.1%,所以不能用來做電源。現代用半導體教材制成的溫差電偶的串聯起來,可以組成能供應較大電流和電壓的半導體溫差發電機,足夠滿足收音機和小型電子設備的需要,有很大實用價值。

1834年帕耳貼(Peltier)發現了塞貝克效應的逆效應,當電流通過由兩種不同金屬相接而成的導體時,在兩種金屬導體上除了產生與電流方向完全無關的焦耳熱以外,還在接觸點發生與電流方向有關的熱量的放出或吸收。這種由于電流通過不同導體的接觸點而發生放熱或吸熱的現象稱為帕爾貼效應。用半導體制成的帕爾貼效應裝置具有廣闊的應用前景。把溫差電堆的冷接點放在冰箱內,熱接點放在箱外,并通過一定電流,則內部冷接點吸收熱量再由外部熱點放出。這樣做成的致冷器可以獲得105℃的溫度差,而且具有耗電省,壽命長、易控制、無污染等優點。如果使電流反向,結果則相反,外部接點變冷,內部接點變熱。

珀爾帖效應(PELTIER EFFECT)

一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應,即當電流流經兩個不同導體形成的接點時,接點處會產生放熱和吸熱現象,放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.I л=aTc式中:Qπ 為放熱或吸熱功率

π為比例系數,稱為珀爾帖系數

I為工作電流

a為溫差電動勢率

Tc為冷接點溫度

湯姆遜效應 (THOMSON EFFECT)

當電流流經存在溫度梯度的導體時,除了由導體電阻產生的焦耳熱之外,導體還要放出或吸收熱量,在溫差為△T的導體兩點之間,其放熱量或吸熱量為:

Qτ=τ.I.△T

Qτ為放熱或吸熱功率

τ為湯姆遜系數

I為工作電流

△T為溫度梯度

以上的理論直到本世紀五十年代,蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究,于一九五四年發表了研究成果,表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果,這是最早的也是最重要的熱電半導體材料,至今還是溫差致冷中半導體材料的一種主要成份。

約飛的理論得到實踐應用后,有眾多的學者進行研究到六十年代半導體致冷材料的優值系數,才達到相當水平,得到大規模的應用,也就是我們現在的半導體致冷器件。

中國在半導體致冷技術開始于50年代末60年代初,當時在國際上也是比較早的研究單位之一,60年代中期,半導體材料的性能達到了國際水平,60年代末至80年代初是我國半導體致冷器技術發展的一個臺階。在此期間,一方面半導體致冷材料的優值系數提高,另一方面拓寬其應用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力和物力,獲得了半導體致冷器,因而才有了現在的半導體致冷器的生產及其兩次產品的開發和應用。

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