1、热电材料,主讲人：XXX,21世纪三大最具潜力的新型能源技术,太阳能光伏发电技术 燃料电池 热电效应,热电效应是迄今为止人类发现的由温度梯度直接获得电能的方式中能量转换效率最高的方式,热电导材料,生物热电效应,鲨鱼鼻子里的一种胶体能把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知细微的温度变化，从而准确地找到食物。,利用热电效应工作的发电、制冷和供热装置没有滑动部件或旋转部件不会产生往复或回转效应可长时间连续工作不会产生对环境有害的物质环保、可靠、寿命长、易维护实现模块化和集成化应用于汽车、航天器、潜艇等小型领域,热电效应三种类型,塞贝克效应 热电转换 珀尔帖效应 电热转换 汤姆逊
2、效应,热释电效应,p,珀,三大效应塞贝克效应,起源：1820年奥斯特电流磁效应实验,发现：1921年,塞贝克为了验证电流的磁性机理做的实验,奥斯特,当他把一个金属接点握在手中时, 发现放在该回路附近的磁针发生偏转, 显示出磁的效应.,起初他把这种现象错误地称为“热磁效应” , 因为他认为地球的磁现象是由于地球两极和赤道之间存在温度差而引起的. 后来, 奥斯特把这种效应改称为“热电效应”,现象：,（T）为塞贝克系数 T为两接触段温差,U= TT,其接触端间电势U为,P型,N型,空穴夺取电子空穴不断聚集,低温端因聚集大量空穴而带正电,高温端因受主离子被束缚而聚集大量负电荷带负电。,高温 正电,低温
3、 负电,高温处的电子从价带向受主能级跃迁会加剧,原理,电子热扩散原理,声子拖曳机理,半导体的电子空穴原理,电子热扩散原理,声子拖曳机理,何为声子phonon？,声子就是晶格振动的简正模能量量子。,量子化了的弹性波的最小单位 并不是一个真正的粒子,在电子被声子势场波俘获的情况下，当声波在晶体中传播时，电子即被声子势场波牵引着向前，这就是所谓声子曳引效应。,应用,热电温度计（热电偶）,热电偶工作原理,将两种不同的金属导体焊接在一起构成闭合回路，如在焊接端(也称测量端)加热，将另一端(即参考端)温度保持一定。那么回路的热电动势则会成为测量端温度的单值函数,优点 温度直接转为电信号 测温温度广（-27
4、02800） 精度高 可根据需要制成不同的种类,缺点 易氧化或腐蚀 参考段的温度要恒定 长期使用需要矫正,热电偶的不同种类,标准热电偶,非标准热电偶,8种标准型,钨铼系热电偶,镍铬一金铁热电偶,快速微型热电偶,适宜在惰性气体、氢气或真空中使用,可用于O一217 的宽广低温区的测量,当温度测出之后热 电偶也已烧毁，其价格低廉、测量结果可靠、互换性好,热电偶的最新发展,寻热式热电偶是利用热电偶的热电效应能够连续自动产生其长度所及范围内(线)最高温度与固定冷端(点)之间的热电势，是一种无固定热接点的热电偶,结构,热电极 隔离材料 保护管,优点,长度长覆盖面积大,节约大量温度传感器,应用,大面积、大范
5、围、大空间场所以及危险区域内发热、过热现象的监测、预警等,三大效应珀尔帖效应,发现 1834年 珀尔帖焦耳热以外的热量,当通电时，在回路中的接点1处产生热量W，在接点2吸收热量W。,现象,塞贝克效应的逆反应,由楞次总结,W=abI,ab = (T) T,ab 珀尔帖系数 T环境绝对温度,电荷载体在不同的材料中处于不同的能级,当它从高能级向低能级运动时, 便释放出多余的能量; 从低能级向高能级运动时, 从外界吸收能量。,P型半导体与金属接触，电子流入半导体，金属的空穴多于半导体的空穴。通电后金属内的空穴将流向P 型半导体。低能量的空穴吸收金属晶格振动的能量而使接触处的金属温度降低。 N型相反于P
6、型,制冷片结构示意图,金属与半导体珀尔帖效应,应用,半导体制冷,日常应用：车载冰箱电脑降温,专用装置方面: 石油产品低温测试仪、细菌培养箱、 生化产品低温测试仪,军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的 红外线探测、导行系统,实验室装置方面: 冷箱、 冷槽、电子低温测试装置、 各种恒温、高低温实验仪片。,无辜冰箱为何惨被遗弃角落？ 看无良厂商如何蒙骗消费者！,半导体制冷片实际生活中的工作情况,热电堆平行摆放 在热电堆冷热端表面抹导 热硅胶以减少接触热阻,热端散热器肋片的温度随时间变化的曲线,实际应用过程中应用风扇等散热装置对热端进行散热，否则无法继续制冷,条件：环境温度26，输入电压11V风扇电压1
7、0V 热电堆4个,实验分析：越靠近散冷器 热电堆的制冷 效果越好 木箱内温度受距离的 影响也越大。同时 可以看出热 端散热器肋片在3050 min 之间出现了两个极点，反映了热电堆温度与时间关系密切这一 特点。,条件：环境温度26，输入电压8V风扇电压10V 热电堆4个,实验分析：趋势相同，在3040min 出现第一极点,条件：环境温度27，输入电压8V风扇电压10V 热电堆6个,实验分析：冷端肋片温度的传热温差大约3,60min后稳定,条件：环境温度36，输入电压8V风扇电压10V 热电堆4个,实验分析：稳定温度较高，到达稳定温度时间约50min。反映出半 导体制冷与温度关系很大的 这一特点
8、.,结论,三大效应汤姆逊效应,发现：1854年 汤姆逊对塞贝克效应和珀尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系,在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应,第三热电效应,在一种导体构成的回路中， 如果存在温度梯度，当通过电流时，导体中产生热现象。,威廉汤姆逊,金属的汤姆逊效应,用同一种金属组成回路，一侧温度保持在T1 另一侧保持（T1 + T），通过电流时， 在温度转折处产生吸热或放热。,热效应公式,温度梯度,通电时间,汤姆逊系数,汤姆逊系数与塞贝克系数关系,半导体的汤姆逊效应,在两端温度差为 T 的半导体上加以一定的电压E , 当有电流从低温侧向高
9、温侧流动时, 则半导体被加热或被降温, 这种现象称为半导体的汤姆逊效应。,由于半导体的塞贝克效应, 高温侧的空穴要向低温侧移动(热扩散电流) , 最终形成电位差V。,通电后空穴移动产生热扩散电流，每个空穴得失的能量2k T-qV。,K：玻尔兹曼常数,研究前沿及发展前景,展望,光孤子,量子点系统热电效应,纳米材料,热电导材料,温度升高，材料的电阻率发生变化的现象,主要温度特征,电导率的温度系数,耗散系数H,功率灵敏率, :电导率温度系数 :电阻率温度系数 :电导率 :功率灵敏度 C :材料热容,热敏电阻：电阻随温度变化,用途：温度测定 线路温度补偿 稳频,正温度系数热敏电阻（PTC） 负温度系数
10、热敏电阻（NTC） 临界温度系数热敏电阻（CTR）,优点灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化； 工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-273-55； 体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度； 使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择； 易加工成复杂的形状，可大批量生产； 稳定性好、过载能力强。：,缺点 阻值与温度的关系非线性严重； 元件的一致性差，互换性差； 元件易老化，稳定性较差； 除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使
11、用时必须注意。,正温度系数热敏电阻（PTC）,在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器,主要材料：掺杂半导体陶瓷 BaTiO3 SrTiO3 PbTiO3 掺入Nb、Ta、Bi、Sb等使陶瓷半导化 掺入Fe、Mn、Cu、Cr等增大温度系数,原理：半导化 Nb在烧结石进入晶格位置，造成施主中心，形成电导率高的N型半导体Mn主要偏析在晶界形成高阻层，且Mn可提高与晶界多余氧的结合强度，从而提高表面受主态密度，使晶界势垒大幅度提高,PTC应用,温度测量与控制,“热敏开关”,电流通过元件后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而
12、限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高。周而复始因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用。,负温度系数热敏电阻（NTC）,随温度 上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻 现象和材料,主要材料：尖晶石型过渡金属氧化物半导体陶瓷 含锰二元洗氧化物含锰三元系氧化物 以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表 的非氧化物系NTC热敏电阻材料。,应用：通信及线路中的温度补偿、控温和测温传感器,临界温度电阻（CTR）,具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随 温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数的材料,主要材料：半玻璃状半导体陶瓷材料V2O5 掺杂MgO、CaO等 稀土氧化物,特征：在一个温度下电阻突变,用途：温度控制，火灾报警，过热保护,研究前沿及发展前景,谢谢,*,*:.()/$:*.*,问题,1、热电效应三大类型是什么？,塞贝克效应 珀尔帖效应 汤姆逊效应,3、热电导材料的种类,正温度系数热敏电阻（PTC） 负温度系数热敏电阻（NTC） 临界温度系数热敏电阻（CTR）,2、汤姆逊效应表达式,
