第23卷 第5期 大 学 物 理 实 验
Vol.23No.5
2010年10月蜗轮蜗杆副
PH Y SICA L EXPERI M ENT OF CO L LEG E
Oct.2010
收稿日期:2010 05 10
文章编号:1007 2934(2010)05 0043 04
邹乾林
(上海电力学院，上海 201300)
摘 要：简要介绍温差电技术的基本原理以及运用该原理设计、制作一些在工科物理实验中的装置。关
键
词：温差电技术；温差发电；温差电制冷、制热；半导体制冷器 中图分类号:O 441.5 文献标志码:A
半导体温差电技术是近年来国际上迅速发展的一项高新技术。从1834年发现帕尔帖效应开始，利用帕尔帖效应制造半导体温差电器件已经有一百多年的历史，但由于当时半导体材料的热电性能差、效率
低，一直没得到实际应用。直到20世纪50年代，随着半导体热电技术的理论和工艺研究不断积累，使热电效应的效率大大提高，我国从70年代开始研制半导体致冷器件,80年代末进行应用产品的研制。产品以车用小型冷热藏箱为主。90年代开发出具有广泛实用价值的民用便携式冷热箱、化妆品专用冷藏箱、高低温测试设备国内市场已有数十种应用产品。另外在导弹、卫星、雷达等国防重点工程，光纤通信高精密科学仪器上应用日益增多。
为使该技术能尽快地得到发展，我院将半导体热电技术应用于大学物理实验中，使学生对该技术有所了解。
1 半导体温差电器件的原理
1.1 半导体温差电原理的依据1.1.1 塞贝克效应
1821年塞贝克发现在锑与铜两种材料组成的回路中，当两个接触点处于不同温度时候，在回路中就有电流通过。人们把产生这种电流的电动势叫做热电动势，也叫做塞贝克电动势或温差电动势。 ctp版材
要形成温差电动势必须有两种不同的金属材料，并在两端的连接处有不同的温度，如图1所
示。E ab 是塞贝克电动势,S ab 塞贝克系数。因此塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形成的。由于所选的材料不同，电位的变化可以是正或负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号也很
重要。
图1塞贝克效应原理图
若两种材料是十分均匀的，那么这种电动势的大小就仅与两个接点的温度有关。产生热电动势的原因主要是由于:(1)两种金属的逸出功不同;(2)两种金属的电子密度不同。从而发生电子从一种金属穿过界面向另一种金属迁移，在接点处形成了接触电势，它与温度有关，在两接点温度不相同时，其接触电动势的代数和不等于零，所产生的接触电势差就是热电动势。在两接点温度差不大时热电动势与温度差成正比。
1.1.2 珀尔帖效应
珀尔帖效应是1834年由法国科学家JeanC.APeltier 发现的，即直流电流流过两种不同金属的接点时，在接点处会出现放热或吸热的现象。
实验证明：两种不同金属间产生珀尔帖效应是很微弱的，唯有某些半导体材料PN 结的珀尔帖效应较为显著。实用的半导体制温差电材料有
碲化铅、硅化铁、锑化锌、碲化铋等。目前以碲化铋应用为主，其三元固溶体合金成分为:
P 型 Bi 2Te 3+SbTe 2N 型 Bi 2T e 3+Bi 2Se 3(3)汤姆逊效应(略)
咖啡玉米1.2 影响半导体制冷效率的不利因素1.
2.1 焦耳效应(JouleEffect)
单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积，通常伴随发生导体温度的升高。
1.2.2 傅里叶效应(Four ierEffect)
单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。
由于这些因素，半导体热电效率在很大程度上受到了限制，尽管如此半导体温差电技术还是在各领域中的应用却越来越广泛，越来越显示出它的特殊优越性。
利用半导体材料的帕尔帖效应，选用热电效应较高的热电偶构成温差电器件，见图2
。
图2珀尔帖效应原理图
当直流电通过由两种不同的半导体材料串联成的热电偶时，在热电偶的两端即可分别吸收热量和放出
热量，如果在放热端安装散热装置，吸热端就能通过吸收热量使吸热端的温度低于放热端的温度，当改变直流电流方向时，吸热面与放热面
交换又能达到制热的效果。
图3
加大功率所采用的方法
门铃电路
但仅有一对热电偶所产生的制冷量是远远不够的，因此为加大功率，采用热电偶串联，吸热端、放热端各自并联，见图3。
利用上述原理设计的温差电器件可以用作为冷热源制成具有冷藏、热藏、降温、恒温、升温等功能的装置，并能用于各种热工测量。
2 特 点
由于半导体热电制冷不同于传统的压缩式制冷，它没有压缩机，无转动部分，无机械磨损。并有下列优点：一、结构简单，无噪音、无磨损、无污染、可靠性高、维护方便，且维护工作量少。其二，它是固体化电子器件，占有空间小，可小型化、分散化、致冷加热可互易。调节电压或电流时，制冷量及温差能无级控制，易于实现高精度的温控。因此，在目前小范围制冷行业特别是测试仪器、小型车用冷箱中占有越来越重要地位。
3 常用器件型式
半导体制冷器可分为单级见图4，多级组件见图5
。
图4
单级半导体热电器件
图5
多级半导体热电器件
单级组件指的是只有一个热面和一个冷面的
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温差电技术原理及在工科物理实验中的应用
单片半导体制冷组件，见图4。为了获得更大温差或者更大性能系数，将上一级半导体制冷组件的热端与下一级半导体制冷组件的冷端热耦合，如此叠加形成的多层次的组件被称为多级组件，见图5。
同时利用改变电臂大小及温差电对的数量及排列方式，就可满足各种不同需要制成大到千瓦级的空调，小到冷却红外探测器件的毫瓦级的微型致冷器。有些仪器中的快速冷却室，就是利用半导体制冷组件的串联、并联或混合的形式制成的。
温差电技术包括温差发电与温差制冷(或制热)两个方面,20世纪60年代初期开发研制出温差发电器并投入使用。20世纪70年代后，由于陶瓷工艺、半导体材料制备方法和切割工艺、焊接技术的进步，使温差电制冷技术得以迅速发展。
4 大学物理实验的应用
利用半导体制冷器的特性，可以广泛用于大学物理实验，如用冷凝法测定空气的露点温度，见图6，就是利用半导体温差电器件的制冷功能，将待测得气体掠过冷却面，半导体热电器件的冷面慢慢的降温，待冷面上出现了冷凝水时，此时的冷
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面温度是为该气体的露点温度。
1.发光二极管;
2.清洗口;
3.外壳;
4.光电接收管;
5.镜面;
6.热敏电阻;
7.多级热电制冷器;
8.散热器;
9.风机
图6
半导体制冷露点测定仪
也能用热电元件设计热电恒温器，见图7，它可以通过制冷器供电电路的反向来实现从制冷工
况向加热工况的转变，这是热电恒温器的一个非常突出的优点。热电恒温器可以发送恒定的讯号，供测温及自动控制系统中与被检测温度讯号
进行比较，也可以用来研究材料、零件、仪表等在
低温度交替变化情况下性能变化。
1.散热器;
2.热电制冷器;
3.液体;
4.外壳;
5.散热风机;
6.通风口
冷冻水产品图7
热电恒温器
图8是一种测试热电组件热电动势的测试仪。
图8半导体组件热电动势测试仪
它是用来测量热电元件的温差电动势大小
的，如将待测的热电元件换成待测热导率的材料，加热面换成可控温的半导体热电元件，即可测量热导率。
图9是一种利用热电元件设计的电子除湿器，它是利用热电制冷器在工作时，一端冷、另端放热的特征，在冷端将空气的温度降到该空气水汽的露点温度下，从而析出水分，然后该气体通过制冷器的热端，加热后排出。此装置用于演示气体中水分与温度、相对湿度、露点的关系收到很好效果。
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温差电技术原理及在工科物理实验中的应用
图9电子除湿器
上述是热电技术在大学物理实验的一些应用实例，将这些装置应用于大学物理实验教学，在培养学生创新思维方面取得了较好的效果。参考文献:
[1] 徐德胜.半导体制冷与应用技术[M ].上海：上海交
通大学出版社,1999.
[2] 马乔矢.半导体制冷技术的应用和发展[J].沈阳建
筑工程学院学报,1999,15(1):81 87.
The Principle of Thermoelectric Technology and Application in
Engineering Physics Experiment
ZHOU Qian lin
(Shanghai U niv ersity of Electr ic Po wer ,Shang hai 201300)
Abstract:Intr oduced the basic principle of therm oelectr ic techno logy and applying the principles to de sign,produce som e equipments of engineering physics ex periment.
Key words:ther moelectric technolog y;thermal pow er generatio n;therm oelectric cooling and heating;thermo electric cooler
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温差电技术原理及在工科物理实验中的应用
