温差电效应及其应用摘要:本文首先系统阐述了温差电效应，包括温差电效应现象的发现和基本内容，接着介绍了近年来温差电效应研究的应用，重点介绍温差电效应在温度测量、温差发电和温差电制冷方面的最新应用，最后对温差电效应在一些新科技领域的潜在应用进行了展望。

关键词：温差电效应；温差发电；温差电制冷。

引言:温差电效应研究是一门古老而又年轻的学科，它很好的将温度差异和电压的产生两者联系起来，被广泛应用于高温测量、温差发电等领域。

构成温差电技术的基础有三个基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。

早在1821年，德国科学家塞贝克就发现了温差电的第一个效应，所以，人们称之为塞贝克效应——将两种不同的金属连接，构成一个闭合回路，如果两个接头处存在温差，回路中便产生电流。

该效应便成了温差发电的技术基础。

1834年法国科学家珀尔帖发现电致冷所依赖的珀尔帖效应，它是塞贝克效应的逆效应——将两种不同的金属连接，构成一个闭合回路，如果回路中存在直流电流，两个接头之间便会产生温差。

而第三个效应——汤姆逊效应，是汤姆逊在1856年发现的。

1．温差电效应将两种不同的金属相连接，并在两接头处保持不同的温度，电路中将存在温度梯度和化学势梯度，因而同时产生热流和粒子流，出现交叉现象。

这就是温差电效应【1】。

由A、B 两种金属接成的热电偶，在两接点处保持不同的温度 T 和 T+ΔT ，发现，回路中两接点将产生电势差,并且与两接点处的温度差ΔT成正比，即Δζ=εABΔT，其中εAB 是温差电动势系数，它与材料及温度有关。

Je表示电流密度【2】。

2．温差电效应的应用可能现在大家对温差电效应有所了解，然而，在温差电现象发现后一百多年里，却一直未得到实际的应用，原因就是利用金属合金做成的温差电偶的温差电致冷效应很弱，温差电技术真正复兴，可以认为是从20世纪30年代开始，杰出的苏联物理学家——约飞，最早提出了用半导体材料，作为温差电换能的材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为近现代温差电技术的研发与实际应用奠定了理论与技术基础。

直到二十世纪五十年代，由于半导体科学技术的发展，科学家发现用半导体材料构成的温差电偶，其温差电效应相当显著。

之后，许多科学家在这方面做出了杰出贡献，到六十年代，温差电致冷达到了实用化阶段。

前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家，曾首先在温差发电和温差电致冷方面进行了最广泛的研究。

现在，他们的科研成果正逐渐从航天、军事领域向市场需求方面转化。

美国也是温差电技术的强国之一，而且美国研究温差电的技术领域得到美国政府，尤其是军方的支持。

从六七十年代开始，我国的科研人员才对温差电技术展开了较广泛的研究，这使我国目前已成为世界上温差电产品生产量最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。

半导体材料的研发与应用，极大地推动了温差电技术的发展。

目前，温差电已形成了一个新的行业，新产品不断出现，整个行业处在上升阶段，发展前景十分广阔。

随着技术的发展，也随着氟里昂等具有温室效应的制冷剂在全球禁用，温差电致冷技术显得越来越显得重要，市场会越来越大【3】。

2．1 温度测量温度测量方面的典型代表是温差电偶温度计。

温差电偶温度计是一种工业上广泛应用的测温仪器。

它的制成，就是利用了温差电现象。

两种不同的金属丝焊接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。

把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。

通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测定另一处的温度。

通过对温差电偶温度计工作原理的了解，我们可以发现温差电偶温度计的优点：（1）测量范围广：可以从4.2K(－268.95℃)的深低温（绝对零度0K，即-273.15℃）直至2800℃的高温。

如液态空气的低温或炼钢炉温(～2000℃)。

而且，材料不同，测温的范围也有不同。

例如，铜和康铜构成的温差电偶的测温范围在200～400℃之间；铁和康铜则被使用在200～1000℃之间；由铂和铂铑合金（铑10%）构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上；铱和铱铑（铑50%）可用在2300℃；若用钨和钼（钼25%）则可高达2600℃。

（2）测量精度高：热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，从而减少了无关量的影响，提高测量精度。

（3）受热面积和热容量可做得很小，实现小范围高精度测温，如研究金相变化、小生物体温变化，而水银温度计则难于可比。

（4）构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

（5）由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统，从而提升了工作中人机关系的安全性和舒适性。

例如，在金属冶炼熔炉，核电站反应堆等有高温的特殊场合，应用热电偶温度计，可以实现远距离测温，进而采取下一步措施。

2．2温差电制冷及其应用温差电制冷是利用珀耳帖效应用电能来传递热量。

因为温差电致冷用的材料通常为半导体材料，因此，温差电致冷又常被称为半导体致冷或电子致冷。

温差电致冷产品的核心是温差电致冷组件。

目前，致冷组件的外表面一般为绝缘且导热良好的氧化铝陶瓷。

半导体温差电制冷器是由N 型半导体和P 型半导体构成的温差电偶，用铜片把两个半导体连接起来。

宏观上，电流I 由N 型半导体流向P 型半导体时，该接头吸收珀耳帖热；在另一接头，电流由P 型半导体流向N 型半导体，有热量释放出来。

微观上，外电场使P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子都向热面运动，并在接头附近发生复合，空穴、电子对复合前的势能和动能，变成接头处晶格的热振动能量，从而有大量热量释放出来。

而在致冷组件的冷面，外电场使空穴和电子都离开接头，在接头处要产生空穴、电子对，空穴、电子对的能量来自晶格的热振动能，从而可以观察到明显的吸热现象。

再通过各种各样的散热方式，把热端的热量带走，冷端就能保持较低温度。

在热平衡条件下，冷端所能达到的温度，取决于半导体材料的温差电特性和冷端的热负载以及器件的设计（工作状态、散热条件等）。

半导体致冷技术的应用广泛、产品众多。

医用低温床垫、医用冷帽可以减少心脑血管病人的痛苦，并有良好的辅助治疗效果。

显微镜冷冻台、切片冷冻台，更是医疗方面不可缺少的装置。

半导体致冷露点仪在科学研究领域大量使用，该仪器的控温精度能达到千分之一度。

石油分析中的倾点、凝点等测试仪，更是半导体致冷的用武之地。

半导体致冷的除湿机在文件资料、磁盘光盘、高级服装的保存方面也起着重要作用。

美国通用公司已经成功开发出半导体致冷的司机座垫，而且该座垫使用了一种先进的柔性连接结构，使座垫更加安全、舒适。

半导体致冷散热器将彻底消除CPU工作时的温度过高现象【5】，从而更好地保护电脑的心脏【4】。

温差电致冷组件也是一种没有机械转动部件的固态器件，而且这种组件体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，在工作时无噪声、不释放有害化学物质（如氟氯烃），还能在任意角度安装，只需要改变电流方向便可实现致冷和加热的功能，而且调节电流大小可以精确控制温度。

由于这一系列优点，所以温差电制冷在工业、农业、科学研究和国防等各领域都得到了广泛的应用。

尤其对军事、航天领域的应用极为重要。

温度对红外探测器的灵敏度，有很大的影响，温度低，信噪比则高，图像就更清晰。

军用红外探测器可使用温差电致冷技术降低温度，从而提高信噪比。

像红外探测器一样的CCD 器件，也需要低温工作。

CCD器件使用的温差电制冷组件，一般为二级或三级微型组件，是采用特殊结构，把CCD器件和致冷组件焊接在一起并进行封装【4】。

军用方舱通讯车利用温差电制冷技术，可使其中的各种控制仪器处在理想的工作温度中。

导弹发射装置需要控温，核弹头的储存、运输更是一个需要控温的极其复杂和敏感的过程。

采用温差电致冷技术的导弹发射装置，能使导弹发射前处在一定温度，为导弹的成功发射，提供保障。

核弹头储运箱也采用了温差电制冷技术，这样，核弹头在储存、运输过程中能够始终恒温，确保了核弹头的安全【4】。

隐蔽性强是潜艇的重要特性之一，因此，安静对潜艇来说，是一项必要要求。

温差电致冷的空调器取代压缩机空调，可极大降低在潜艇上使用时的工作噪声。

我国已经进行了多次载人航天的试验飞行，而且我国的宇航员也已经乘坐我国自行研制的宇宙飞船成功地飞上太空。

并且在宇宙飞船上将进行了大量的科学试验，而采用温差电致冷技术的生物培养箱是搭载生物试验的必不可少的重要装置，该技术可使箱内温度保持在18~20 ℃，为试验生物的生存条件提供了保障。

还有一种专门用来储存宇航员体液的温控箱，可以将搜集的样品安全的带回地面，供医学研究。

俄罗斯和美国都曾发射过大型的空间站，空间站中的生命保障系统设计非常复杂，其中就大量使用了温差电致冷技术【4】。

温差电致冷由于其自身具有的独特优势，所以在卫星、雷达、光纤通讯、激光武器等许多方面也有着广泛应用。

3．结束语随着科学技术的不断发展与成熟，越来越多的材料被发现，被应用到温差电的研究中去，从而也使得温差电，这一古老而又年轻的科学，焕发着无穷的魅力，吸引着一批又一批的研究者去探索，去发现。

目前，我们人类正面临着环境恶化和能源紧缺的严峻挑战，这为温差电技术的发展，提供了千载难逢的机遇。

随着我国经济的快速发展，对能源的需求量越来越大，同时，世界局势瞬息万变，这对于像我国这样一个对能源进口占很大比重的能源消耗大国来说，存在很大的安全隐患。

从另一方面将，可持续发展对环境的保护也提出了更高的要求。

因此，我们应该从实际需求出发，加大投入，大力发展温差发电技术，走出一条有自主知识产权和特色的能源之路。

相信在不远的将来，温差电的应用，不仅仅局限于现在的特殊应用范围，而是向大众化、平民化、简单化发展，温差电效应的身影，会遍布我们生活的角角落落，使我们的生活，更加方便，安全，和谐。

参考文献：【1】汪志诚. 《热力学·统计物理》（第四版）[M]. 高等教育出版社，2008年12月第4版【2】秦允豪. 《热学》第二版[M]. 教育出版社.1990【3】林宗涵. 《热力学与统计物理学》[M]. 北京大学出版社，2007年1月第1版【4】王风跃《温差电——一门古老而又年轻的科学》[J]，电子世界，2002年02期【5】蔡善钰《空间同位素发电体系的应用现状与展望》[J] .核科学与工程 ,1994 ,14 ( 4) :373～379.。