[科普中国]-温差电

温差电是一种差电现象（thermoelectric phenomena），导体中发生的热能和电能间的可逆转换现象。

两种不同导体联接成闭合回路，如果两个接点处有温度差，在回路中将产生所谓温差电动势。这样组成的回路称为温差电偶或热电偶。反过来，当电流流过上述闭合回路时，接点处将分别放出或吸收热量。这种现象称为珀尔帖效应。1

术语简介亦称热电效应。两种不同导体或导电类型不同的半导体按附图联接时，如两结点的温度不同而在两结点间产生电动势的现象。1821年由德国物理学家塞贝克首先发现，故又名塞贝克现象。

两端相接产生的电流称温差电流（旧称热电流）。在温差电现象中，金属（或半导体）的性质可排成序列，称温差电序（旧称热电序）。从序列中任取两种金属制成温差电元件时，在温度高的结点电流从序列前位的金属流向序列后位的金属。几种常见金属的温差电序如下：

铋—镍—钴—钾—铷—钙—钯—钠—汞—铂—钽—铝—锰—铅—锡—铯—钨—铊—铟—铱—银—铼—铜—金—镉—锌—钼—铈—锂—铁—锑—锗—碲—硒

金属的温差电效应较小，常用以对温度的测量和控制（如温差电偶温度计）；半导体的温差电效应较大，可用以制造温差发电器。1834年法 国科学家珀耳帖发现，如有电流流过上述闭合 电路，则在一结点处会变冷（放热），另一结点处 会变热（吸热），这种现象称为珀耳帖效应。半 导体的珀耳帖效应比较显著，可用来制造致冷器。

主要分类具有显著温差电效应的材料。在固态或液态导体中存在三种不同温差电效应：塞贝克效应、珀耳帖效应和汤 姆森效应。有不同效应的材料可具有 不同用途。

塞贝克效应为把两种不同导体连接成闭合回路，若其两个结点的温度(T1和T2)不同时，回路中就产生电流的现象。引起电流产生的电动势称温差电动势。

珀耳帖效应为塞 贝克效应的逆效应，即当电流通过两 种不同导体组成的回路时，其中一结 点处吸热，而另一结点处放热。

汤姆森效应是当电流通过有温度梯度的均匀导体时，导体中除了不可逆焦耳热外， 还要吸收或放出一点热量。利用塞贝克效应可对辐射能量进行测定，制成 丝状温差电偶和将若干对电偶串联组成温差电堆，已广泛用于光谱、遥感和 激光等技术领域。

温差电材料温差电偶材料有银 和铋、锰和铜镍合金、铜和铜镍合金、 铋和铋锡合金等。用若干对温差电偶串联（或并联）还可制成温差发电器2。

制作温差发电器要求其热冷结点温度 （Tb、Tc）间差值尽可能增大，温差电材料的品质因素Z（为温差电动势率、 电导率和热导率的函数）尽量高。

不同温度下的最佳温差发电材料不同： 300℃以下P型为Bi2Te3-Sb2Te3；N 型为Bi2Te3-Bi2Se3; 300～600℃下有 PbTe、PbTe-SnTe、PbTe-PbSe、GeTe 及AgSbTe等；600～1000℃下有 GeSi合金和MnTe等。

温差发电器可利用固、液、气态燃料及太阳能、核能、 废能等多种能源，适用作卫星、海上灯塔等的电源。利用珀耳帖效应可制作温差电致电器。目前所用材料均为半导体，性能最好的为以Bi2Te3为基的固溶体材料。

半导体致冷器无机械转动部件、无致冷剂、无噪音、可小型化， 且改变电流方向变致冷为加热，是理想的无污染致冷器，可用于冰箱、冷藏箱、冷饮器、冷热箱及科学测试仪器中降温和医学设备中冷冻。

具体应用温差电偶又称热电偶，是通过测量温差电动势来测量温度的重要器件。实验和理论证明，若在两种金属A和B间串接第三种金属导体C，且C的两端保持同一温度T0，则温差电动势与C的材料无关，这一特性使温差电偶便于同其他测量仪器（如电位差计）相连以测定电动势。

温差电偶的测温范围很广，可在-200～2000℃范围内使用，从液态空气的低温到炼钢炉中的高温均可用温差电偶测定。温差电偶的测温灵敏度和准确度很高，可达10-3K以下，特别是铂和铑的合金制成的温差电偶稳定性很高，常用作标准温度计。

温差电偶的测温端的面积和热容量均很小，可测量小范围内的温度或微小热量，这对研究金相变化、化学反应和小生物体的测温等有重要意义。

将温差电偶的测温端封装在真空管内，并在端点焊上涂黑的金属片，可更有效地吸收辐射热，灵敏度也大大提高，是测定光辐射和红外线的重要检测器件。把许多温差电偶串接起来成为温差电堆，可增大温差电动势，从而提高测温灵敏度。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学