塞贝克效应实例应用(塞贝克效应)
大家好,我是小夏,我来为大家解答以上问题。塞贝克效应实例应用,塞贝克效应很多人还不知道,现在让我们一起来看看吧!
1、产生Seebeck效应的机理,对于半导体和金属是不相同的。 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。
2、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。
3、实际上,影响Seebeck效应的因素还有两个:
4、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。
5、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。
6、半导体的Seebeck效应较显著。一般,半导体的Seebeck系数为数百mV/K,这要比金属的高得多。 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。
7、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。
8、产生金属Seebeck效应的机理较为复杂,可从两个方面来分析:
9、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。
10、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。
11、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。
12、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:
13、与分别为两种材料的塞贝克系数。如果与不随温度的变化而变化,上式即可表示成如下形式:
14、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。
本文到此讲解完毕了,希望对大家有帮助。
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