温差电材料ppt课件.ppt

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1、热电（温差电）材料及其最新研究进展徐桂英北京科技大学无机非金属材料系主要内容1.特点2.应用3.热电（温差电）材料发展简史4.存在的问题5.基本原理6.基本理论7.研究的方向8.研究方法9.本研究组的研究方向热电效应:是由温差引起的电效应或由电流引起的可逆热效应。因此也称之为温差电效应。热电或温差电材料：具有热电效应的材料称之为热电或温差电材料。一、概述1.热电效应和热电材料2.热电材料的特点：发电制冷可靠性高；噪音电平低；寿命长；几乎不需维护；尺寸小重量轻；成本低；可以利用各种热源发电。能制成结实的器件；冷却速率易控制；操作无噪音；

2、可进行可逆操作；性能系数不依赖于容量；不受体积限制。应用热电效应的形式为热电发电和热电制冷。不论是作为发电还是制冷都有其它电池和制冷器所不具备的优势。远程空间探测器（已用于先锋号、旅行电子器件的局部冷却，包括：者号、伽俐略号等等）红外探测器远距离气象站计算机CPU远距离导航系统纤维光导激光器潜水艇微微米尺寸的冷却器（由汽车电池驱动）海底发电站（用于采油井阀门）潜水艇和铁路客车的空调器利用废热发电，包括：水冷器（饮水机）大型内燃机卡车超导电子器件炼钢工业，化学工业家用电冰箱发电制冷3.温差电材料的应用领域热电效应是电流引起的可逆热效应和

3、温差引起的电效应的总称，包括：Seebeck效应：热效应电流（能源）Peltier效应：电流热效应（环境）Thomson效应：电流热效应二、热电发展简史：1823年：Seebeck效应1834年：Peltier效应1855年：Thomson效应1911年：AltenkirchZ＝２／1949年：Ioffe引入半导体理论近年来：量子热电理论，电子晶体声子玻璃概念。（1）赛贝克效应赛贝克效应是德国科学家T.J.Seebeck在1823年发现的。如图1.1所示，当两种不同的导体a,b两端相接组成一闭合线路时，若两个接头A,B处具有不同

4、的温度，则线路中便有电流，产生电流的电动势称为温差电动势，而这种效应则称为赛贝克效应。如将此闭合回路“开路”，则C,D间就有所谓的温差电动势。导体A导体B结点2T+△T结点1T+△U-图4.1（1823）塞贝克效应：当在结点1和2之间施加温差△T，将会产生电势差△U。此处是两种材料的赛贝克系数，它是每种材料的赛贝克系数之差，即当温差△T=

5、T1-T2

6、很小时，温差电动势△V与△T成正比。定义即单位温差所产生的温差电动势（温差电动势率）为赛贝克系数（也称为热功率）。Seebeck系数：αab=△U/△T（1834）Peltier效应的示

7、意图(图1.2)：当在结点1和2之间施加电流J时，将会产生温差△T。导体A导体B结点2T-△T结点1TJ(2)Peltier效应图4.2接头吸收或放出的热量称为珀尔帖热量，这种珀尔帖热量Q与两种导体材料a,b的性质和接头处的温度有关。若电流由导体a流向导体b，dH/dt代表单位时间在接头的单位面积上吸收的热量，J为电流密度，则式中ab称为珀尔帖系数，ab为正值时，表示吸热，反之为放热。如两边乘以接头面积s,则单位时间接头处吸收的热量dQ/dt为式中I为电流强度。珀尔帖效应是可逆的。如电流由导体b流向导体a,则在接头处放出相同的热量

8、，由珀尔帖系数的定义有：ab的单位为V。珀尔帖系数是温度的函数，所以在温度不同的接头处，吸收或放出的热量不同。英国科学家W.Thomson于1855年从热力学上分析了上述两种效应的关系；并提出：当存在着温度梯度的均匀导体中有电流通过时，导体中除产生与导体电阻相当的焦耳热之外，还要吸收或放出热量，如图1.3所示；这一效应称为汤姆逊效应，这种热量称为汤姆逊热量。在单位时间、单位体积内吸收或放出的汤姆逊热量dH/dt与电流密度J及温度梯度dT/dx成正比的。如电流由低温(T)端流向高温(T+dT)端，则（3）汤姆逊效应图4.3式中---简

9、写为β，称为导体a的汤姆逊系数，单位为V/K，其数值与材料的性质和温度有关。该效应也是可逆的；如电流是由高温端流向低温端，对于为正值的导体为放热，如值为负，则为吸热。因为汤姆逊热量非常小，所以这种效应还没有实际的应用。Thomson导出的三个温差电系数间的关系：这两个关系式称为开耳芬关系式。（1911）Altenkirch通过统计热力学，推导出衡量材料热电性能高低的温差电优值系数Z：Z＝２／其中，--材料的Seebeck系数；--材料的电导率--材料的热导率Z值越大材料的热电性能越高。指明了开发高性能热电材料的努力方向。(

10、4)温差电优值系数Z在很长一段时间里，这两方面的研究都集中在金属材料方面，所取得的应用主要是作测温的热电偶。曾想利用塞贝克效应进行发电，但试验证明，利用金属材料所得的热电转换效率很低，最高不超过0.6%。Vicewate