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1、2.12 材料的热电性能(Thermoelectricity)在材料中存在电位差时会产生电流， 存在温度差时会产生热流。从电子论 的观点看，在金属和半导体中，无论是 电流还是热流，都与电子有关。故温度 差，电位差，电流，热流之间存在交叉 联系，这就构成了热电效应。I三个基本热电效应 塞贝克效应 (1821年发现) 珀耳帖效应 (1834年发现) 汤姆逊效应 （1854年发现）材料的热电性能 一，塞贝克效应 (1821年塞贝克发现)一度的热电势热电势 ： = dE/dt =a+2bt+3ct2T1T212 金属：V/半导体：mV/热电偶 铂铑(Pt-13%Rh)-铂热电偶: 可测 1700高温；
2、 镍铬(Cr10%)-镍(Al5%):高灵敏度随T线 性变化(0 1000 )； 铜-康铜(60%Cu+40%Ni)热电偶:可测 15KRT甚至400 ； 金钴合金-铜： 4 K。热电偶材料在USA每年消耗几百吨。 半导体温差发电 特点： 体积小，轻，简单，安静，可利用多种热源 应用广：心脏起博器，石油井台，航海灯塔 ，无人岛屿观测站，航空飞行器等。 高灵敏度测温。足以探测微弱的温差，红外 辐射。 逆效应：制冷机12T1T2温差电堆：1. 接触电位差V12=(V2-V1)+(kT/e)ln(n1/n2), 其中，V1和V2是金属12的 逸出电位(逸出功) 。T2V12(T1)V12(T2)T1
3、V1(T1，T2)V2(T1，T2)对于1和2两种金属组成的回路 ，若两端温度T1=T2，则 12=V12(T1)-V12(T2)=0 若T1 T2，则12=V12(T1)- V12(T2) 0n1n2+ + +- - -2. 温差电位差V1(T1，T2)T1T2+ + +- - -FeFTT2V12(T1)V12(T2)T1V1(T1，T2)V2(T1，T2)温差导致热扩散力FT等于电场力Fe时： 12=V12(T1)-V12(T2)+V2(T1，T2)-V1(T1，T2) 前两项是两接头的接触电位差的差， 后两项是两种金属上的温差电位差的差。两种金属以上回路的热电势加法定则: EA-B =
4、 EA-C + EC-BVCuFePt相加法则： EPt-Fe = E pt-Cu + E Cu-FeVPtPt-Rh微细试样测温示意图100C100C0C二，珀耳帖效应 现象： 电流方向与电势方向 一致放热，反之吸热。 解释： 接触电势电子加速而 放热；反之吸热。 用途： 金属热电偶的Peltir 效应小，半导体热电 偶的Peltir效应大， 制冷温差可达150之多， 尤其对小容量制冷相当优越，适用于各种小型恒温器适合于 无声，无污染，无干扰等特殊场合。如宇航飞行器，人造卫 星，红外线探测器等冷却装置上。+-+- - - - E+- - - - E放热吸热I三，汤姆逊效应1854年汤姆逊发现
5、电流通过具有一定温度梯 度的导体时，会有一横向热流流入或流出 导体，方向视电流的方向和温度梯度而定 。+ + +- - -V高 温 T1低 温 T2T1+ + +- - -V IT2- - -Q 放热Q 放热+ + +V IT1T2Q 吸热Q 吸热影响热电势的因素一，合金元素的影响 不同金属由于其电子逸出功和自由电子密度不同， 热电势也不相同。纯金属热电势的排序(后者更负) ：Si,Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Ti, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Na, Pd, K, Ni, Co, Bi。 在两根不同金属丝间
6、串联另一种金属，只要串联金 属两端的温度相同，则回路中产生的总热电势只与 原有两种金属的性质有关，而与串联入的中间金属 无关。 形成半导体性质的化合物时，共价结合增强，会使 热电势显著增强一，贵金属的费密能大约6eV,而过渡族金属和 它们的低浓度合金的“相当”费密能大约只 有1eV。过渡族金属及其低浓度合金的热电势 系数至少是一价贵金属的2倍。因此，过渡族 金属及其合金做成的热电偶要比贵金属做的 热电偶产生更大的热电势。而且，E与温度T的关系 具有良好的线性。 二，温度的影响:E = at + bt2 + ct3,t为热端温度，冷端为0C。PtPt70Rh30三，合金化的影响绝对热电势：金属(
7、或合金)与超导体成偶在超 导临界温度以下测得的热电势 ea 固溶体合金： ea = ei +0(eb- ei)/a ,ei为附加热电势， eb为基体热电势， 0和a分别为 基 体金属和合金的电阻率。对低浓度固溶体合金正确。Matthiesens rule: a = a +rc在形成连续固溶体时，热电势与浓度关系呈悬链式变 化，但过渡族元素往往不符合这种规律。 形成化合物时，其热电势会发生突变。具有半导体性 质化合物由于共价结合的加强，热电势显著增加。四，组织转变 同素异构转变：见Fe-Pt热电偶的热电势e (V/K)20103004008001200A2A3A4t/C2). 马氏体转变是无扩散
8、转变，即钢 的微观成分没有变化，但由于结构 不同，热电性有较大的差别。如Ni30%合金钢， 奥氏体: E=3.6 V/； 马氏体: E=34.4 V/.eT/4008001200A2A3A4Fe-Pt热电偶的热电势亚稳态固溶体合金的析出过饱和固溶体的时效或回火析出对合金热 电势产生影响：一是固溶体基体中合金 元素的贫化；二是第二相的生成。WFe = 0.5%WFe = 2.2%Et 回火时间600C500CCu-Fe合金经固溶处 理后进行等温回火。 析出相导致E随回火 时间增长而逐渐变小Ni3Mn合金的有序化将导致E下降。若沿热电流方向施 加外磁场，磁场也使E变化。 磁场H对热电势影响很明显，
9、如在1K下，对“银-金铁 ”热电偶加16105Am-1横向磁场E变化20%。磁场改 变了与费米能级有关的能态密度，从而引起电导率和 热电势的相应变化。塑性形变的影响 加工硬化使热电势值增大；加工硬化的铁与退火态 的铁成偶，前者为负，后者为正。 队固溶体合金进行冷形变，由于形变直接或间接引 起脱溶，析出或马氏体转变时，将导致合金热电势 发生相应变化。有序-无序转变钢的含碳量及热处理的影响 如测量100度温差的铜-康铜热电偶，在压力从零升 到1。2109Pa的过程中，0100度范围内热电势的 平均变化率为：3 10-10PVC-1Pa-1 压力引起原子大小及其间距在电压下发生了变化， 提高了费米面
10、，改变了能带结构，从而影响扩散热 电势。其次，高压改变了声速，声子极化以及电子 -声子的交互作用，从而影响热电势。这些因素只 在高压下需要考虑，一般情况可以忽略。压力的影响 :热电势的测量测量热电势目的： 分析合金成分和组织结构变化。 热电偶：必须选用在测量温度范围内组织稳定的 金属或合金与试样组成电偶。常用：棒状试样 +完全退火的导线G1和G2 (材料与试样相同) 。 T1 - T2由示差热电偶测量； 热电势差E由试样的组织 变化引起：由示差热电偶 测量。常温下测量E的装置：TT1T2T+T测量微小热电势装置的示意图ET恒温槽热电性分析的应用一，铝合金的时效 试样：Al88Mg4Zn8;淬火
11、态得到过饱和的固溶体组织。不同温度时效30分钟。 热电偶：时效态试样G1+该合金经275度完全退火态G2 。 50度以下冷时效：Mg和Zn发生偏聚，形成G.P.区。 50275度温时效：析出Al2Mg2Zn3相，固溶体正常分解 。 300度时效：多余的析出相重新回溶，合金元素增多导 致电阻率增大。 热电势E-时效温度T关系图的反常现象：125度E出现极大值；125275度E出现负值。 低温时效E降低是Mg和Zn原子发生偏聚所致。偏 聚最大时出现谷值。高于谷值表明偏聚程度降低 。 高温时效E下降意味析出新相，析出相越多，E越 底，基体合金贫化。e0t/C 50125150 225275冷时效温时效自学内容 压电效应及其应用 热释电效应(铁电性)及其应用 光电效应及其应用 磁电效应(霍尔效应,磁电阻效应)复习题 什么叫塞贝克效应?其机理是什么? 有何应用? 影响热电势的因素有哪些? 合金形成化合物时,共价键的加强对 热电势有何影响? 什么叫玻尔帖效应?其机理是什么? 有何应用?
