1.3  Seebeck 效应

Seebeck 效应是由德国物理学家赛贝克 (T. J. Seebeck) 在 1821 年发现的热能转换为电能的现象。在两种不同导体 a，b 或导电类型不同的半导体构成的回路中，当两个接点温度不同时，则两个接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过。人们把这种现象称为 Seebeck 效应。虽然赛贝克当时未能对这个现象作出正确的解释，但他对很多材料研究了这种效应，后人发现如果将他的某两种半导体材料构成一对热电偶，可以实现效率约为 3% 的热电转换，这个结果可跟诞生在 Seebeck 现象 50 年后的蒸汽机转换效率相比拟，这一效应后来成为温差发电的技术基础。1833 年法国的帕尔帖 (J. C. A. Peltier) 偶然发现了另一种现象:他将铋金属棒与锑金属棒连接在一起，在接头处挖一个小洞，滴入水滴，当电流通过这两种金属组成的回路时，水结成了冰，即当电流流过两种不同金属时，接头附近的温度会发生变化，这种现象被称为 Peltier 效应。它是 Seebeck 效应的逆效应，成为电子制冷的基础。1855 年，英国著名物理学家汤姆逊 (W. Thomson) 对 Seebeck 现象和 Peltier 现象进行了热力学分析，不仅确定了两者之间的关系，而且还发现了第三个效应 Thomson 效应。Thomson 提出当一根导体的内部存在温度梯度时，通以电流，导体除了产生焦耳热，还有额外的吸放热现象即Thomson 效应。Seebeek 效应和 Peltier 效应存在于由两种不同导体串连组成的回路中，Thomson 效应则是存在于单一均匀导体中的热电转换现象。Thomson 效应的发现对后来的温差电学和热力学发展起到了极大的推动作用。1911 年，德国的 Altenkirch 建立了温差电制冷和发电的理论，他提出材料的热电性能与材料的 Seebeck 系数 S、热导率 κ、电导率 σ 三个参数有关。材料的热电性能可以用热电优值 Z 来描述：。由此看出，好的热电材料应该具备大的Seebeck 系数、高电导率及低的热导率。 来~自^751论+文.网www.751com.cn/

在两种不同的导体 A、B 构成的回路中，将接头维持在不同的温度 T 和 T+ΔT，则在导体中会产生电势差 ΔE，称为温差电动势，回路中有电流产生，表示为： 

只要接头间的温差 ΔT 不是很大，这个关系呈现线性。此时 αAB 为常数，该常数定义为两种导体的相对 Seebeck 系数，其值为： 

当主要Seebeck 系数为负值时，载流子为电子；当Seebeck 系数为正值空穴是主要为载流子。

Seebeck 效应的微观物理本质可以用温度梯度作用下导体内载流子分布变化来说明。对于两端尚未建立起温差的孤立导体，载流子在导体内均匀分布。当温度梯度建立后，热端的载流子具有较大的动能，趋于向冷端扩散并在冷端堆积，使得冷端的载流子浓度高于热端。电荷在冷端的积累导致在导体内建立一个自建电场，以阻止热端载流子进一步扩散至冷端。这样当导体达到平衡时，在导体两端所形成的电势差就是 Seebeek 电势。