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溫差電是一種差電現象thermoelectric phenomena,導體中發生的熱能和電能間的可逆轉換現象。溫差電偶又稱熱電偶,是通過測量溫差電動勢來測量溫度的重要器件

差電現象
thermoelectric phenomena
導體中發生的熱能和電能間的可逆轉換現象。
導體中的幾種溫差電現象
①珀耳帖效應。當外加電流通過兩種不同金屬A和B的接觸面時,接觸面處會產生吸熱或放熱的現象,是J.C.A.珀耳帖於1834年發現的。略去焦耳熱和熱傳導等不可逆現象,珀耳帖效應是可逆的,即當電流反向時,接觸面處的吸、放熱互換,如圖1所示。吸收或放出的熱量QII稱為珀耳帖熱。當有電量e通過接觸面時,珀耳貼熱與e成正比,即QII=IIABe,IIAB稱為珀耳帖係數,與A、B材料的性質和溫度有關。按經典電子論的解釋,珀耳貼效應是因不同金屬材料中自由電子的數密度不同而引起的。②湯姆孫效應。當電流通過存在溫度梯度的均勻導體棒時,除產生焦耳熱這一不可逆過程外,導體棒還會吸收或放出一定熱量,是W.湯姆孫於1856年發現,故稱為湯姆孫效應,吸收或放出的熱量Q稱為湯姆孫熱。湯姆孫效應也是可逆過程,當電流反向時,吸、放熱互換,如圖2所示,圖中T1>T2。當有電量e從溫度T處運動到T+dT處時吸熱dQ與e和溫差dT的乘積成正比,即dQ=sedT,s稱為湯姆孫係數,由金屬材料的性質確定。按經典電子論的解釋,湯姆孫效應是由金屬中自由電子的熱擴散造成。③塞貝克效應。用兩種不同金屬A和B接成迴路,兩接頭處分別維持不同溫度T0和T,就構成溫差電偶(圖3),迴路中將產生電動勢,稱溫差電勢。此現象首先由T.J.塞貝克在1821年發現,故稱塞貝克效應。塞貝克效應也是可逆效應,當溫差電偶從高溫端吸熱低溫端放熱時,迴路中產生溫差電動勢,形成電流。若令迴路中的電流逆向流動,則從低溫端吸熱,在高溫端放熱。塞貝克效應是珀耳帖效應和湯姆孫效應聯合作用的結果。當T0固定時,溫差電動勢是溫度T的函數。利用珀耳貼效應和湯姆孫效應的規律可證明如下結果
式中s A 和s B是金屬A和B的湯姆孫係數。以上是溫差電現象的兩個基本公式,稱湯姆孫關係式。
半導體中的溫差電現象 半導體中也存在上述幾種溫差電現象,而且比金屬導體顯著得多。例如對金屬,溫差為1℃時的溫差電動勢僅幾微伏,而半導體可達幾毫伏。金屬做的溫差電偶一般只用來測溫,半導體溫差電偶可用作溫差發電。半導體有很強的珀耳帖效應,可用於致冷。
應用
溫差電偶又稱熱電偶,是通過測量溫差電動勢來測量溫度的重要器件。實驗和理論證明,若在兩種金屬A和B間串接第三種金屬導體C,且C的兩端保持同一溫度T0(圖4),則溫差電動勢與C的材料無關,這一特性使溫差電偶便於同其他測量儀器(如電位差計)相連以測定電動勢。溫差電偶的測溫範圍很廣,可在-200~2000℃範圍內使用,從液態空氣的低溫到鍊鋼爐中的高溫均可用溫差電偶測定。溫差電偶的測溫靈敏度和準確度很高,可達10-3K以下,特別是鉑和銠的合金製成的溫差電偶穩定性很高,常用作標準溫度計。溫差電偶的測溫端的面積和熱容量均很小,可測量小範圍內的溫度或微小熱量,這對研究金相變化、化學反應和小生物體的測溫等有重要意義。將溫差電偶的測溫端封裝在真空管內,並在端點焊上塗黑的金屬片,可更有效地吸收輻射熱,靈敏度也大大提高,是測定光輻射和紅外線的重要檢測器件。把許多溫差電偶串接起來成為溫差電堆,可增大溫差電動勢,從而提高測溫靈敏度。
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