物理百科知识点-塞贝克效应讲解

有句话说“学好数理化，走遍天下都不怕。”虽然说得很夸张，但也反应了这三门学科的重要性和实用性。今天咱们要说的是物理，物理知识在生活中也是相当重要的，下面小编就给大家带来物理百科知识点-塞贝克效应讲解。

塞贝克(Seebeck)效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。利用塞贝克效应，可制成温差电偶(thermocouple，即热电偶)来测量温度。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差(电压)，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。电流通过两种不同金属构成的结点时会吸放热的原因是在结点处集结了一个佩尔捷电动热，佩尔捷热正是这电动势对电流做正功或负功时所吸放的热量。

塞贝克效应 - 简介

英文名称：Seebeck effect

在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。

塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差(电压)，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。

半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

塞贝克效应 - 贡献者

托马斯·约翰·塞贝克

(也有译做“西伯克”)1770年生于塔林(当时隶属于东普鲁士，现为爱沙尼亚首都)。塞贝克的父亲是一个具有瑞典血统的德国人，也许正因为如此，他鼓励儿子在他曾经学习过的柏林大学和哥廷根大学学习医学。1802年，塞贝克获得医学学位。由于他所选择的方向是实验医学中的物理学，而且一生中多半时间从事物理学方面的教育和研究工作，所以人们通常认为他是一个物理学家。

毕业后，塞贝克进入耶拿大学，在那里结识了歌德。德国浪漫主义运动以及歌德反对牛顿关于光与色的理论的思想，使塞贝克深受影响，此后长期与歌德一起从事光色效应方面的理论研究。塞贝克的研究重点是太阳光谱，他在1806年揭示了热量和化学对太阳光谱中不同颜色的影响，1808年首次获得了氨与氧化汞的化合物。1812年，正当塞贝克从事应力玻璃中的光偏振现象时，他却不晓得另外两个科学家布鲁斯特和比奥已经抢先在这一领域里有了发现。

1818年前后，塞贝克返回柏林大学，独立开展研究活动，主要内容是电流通过导体时对钢铁的磁化。当时，阿雷格(Arago)和大卫(Davy)才发现电流对钢铁的磁化效应，赛贝克对不同金属进行了大量的实验，发现了磁化的炽热的铁的不规则反应，也就是我们所说的磁滞现象。在此期间，塞贝克还曾研究过光致发光、太阳光谱不同波段的热效应、化学效应、偏振，以及电流的磁特性等等。

1820年代初期，塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。在接下来的两年里时间(1822～1823)，塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。

塞贝克确实已经发现了热电效应，但他却做出了错误的解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化，而非形成了电流。科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在导线周围产生了磁场。对于这样的解释，塞贝克十分恼火，他反驳说，科学家们的眼睛让奥斯特(电磁学的先驱)的经验给蒙住了，所以他们只会用“磁场由电流产生”的理论去解释，而想不到还有别的解释。但是，塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将电路切断，温度梯度并未在导线周围产生磁场。所以，多数人都认可热电效应的观点，后来也就这样被确定下来了。

塞贝克效应 - 原理

产生Seebeck效应的机理，对于半导体和金属是不相同的。

半导体效应

产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散;在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷(热端有正电荷，冷端有负电荷)，同时在半导体内部出现电场;当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，n型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端(Seebeck系数为负)，相反，p型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端(Seebeck系数为正)，因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。

可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的;两端Fermi能级的差就等于温差电动势。

实际上，影响Seebeck效应的因素还有两个：

第一个因素是载流子的能量和速度。因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体Fermi能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响——增强Seebeck效应。

第二个因素是声子。因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量传递给载流子，从而加速了载流子的运动——声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强Seebeck效应。

半导体的Seebeck效应较显着。一般，半导体的Seebeck系数为数百mV/K，这要比金属的高得多。

金属效应

因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的Seebeck效应必然很小，一般Seebeck系数为0～10mV/K。

虽然金属的Seebeck效应很小，但是在一定条件下还是可观的;实际上，利用金属Seebeck效应来检测高温的金属热电偶就是一种常用的元件。

产生金属Seebeck效应的机理较为复杂，可从两个方面来分析：

①电子从热端向冷端的扩散。然而这里的扩散不是浓度梯度(因为金属中的电子浓度与温度无关)所引起的，而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的。显然，如果这种作用是主要的，则这样产生的Seebeck效应的系数应该为负。

②电子自由程的影响。因为金属中虽然存在许多自由电子，但对导电有贡献的却主要是Fermi能级附近2kT范围内的所谓传导电子。而这些电子的平均自由程与遭受散射(声子散射、杂质和缺陷散射)的状况和能态密度随能量的变化情况有关。

如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端的电子将由于一方面具有较大的能量，另一方面又具有较大的平均自由程，则热端电子向冷端的输运则是主要的过程，从而将产生Seebeck系数为负的Seebeck效应;金属Al、Mg、Pd、Pt等即如此。

相反，如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的话，那么热端的电子虽然具有较大的能量，但是它们的平均自由程却很小，因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运，从而将产生Seebeck系数为正的Seebeck效应;金属Cu、Au、Li等即如此。塞贝克效应电势差的计算公式：

分别为两种材料的塞贝克系数。如果不随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：

塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量，并对35种金属排成一个序列(即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-……)，并指出，当序列中的任意两种金属构成闭合回路时，电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属。

塞贝克效应 - 应用领域

塞贝克效应发现之后，人们就为它找到了应用场所。利用塞贝克效应，可制成温差电偶(thermocouple，即热电偶)来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从-180℃到+2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。热电偶温度计，甚至可以测量高达+2800℃的温度!

热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，环路电压VOUT为热结点结电压与冷结点(参考结点)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，也就是说VOUT是温差的函数。比例因数α对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

以上，就是今天小编给大家带来的物理百科知识点-塞贝克效应讲解，希望能够拓宽大家的知识面，也希望大家能够学好物理。