热电效应与光电效应
2008-08-21 20:46阅读：
所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(洞)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower(Q)的参数来测量，其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)。
自然界热电效应明显的物质
明矾石Alunite六方晶系KAl3(OH)6(SO4)2为含氢氧根的钾，钠，铝硫酸盐矿物，其解理面呈珍珠光泽，其余的面呈玻璃光泽。硬度3.5~4，条痕白色，比重2.58~2.75，有灰，白，稍黄，稍红等颜色.具强烈的热电效应，不溶于水，几乎不溶于盐酸，硝酸，氢氟酸和氨水等，但能溶于强碱及硫酸或高氯酸.明矾石为不规则矿床及矿脉，大屯山火山群之明矾石成细粒结晶而与石英，蛋白石及粘土矿物共生，有些成脉状，有些交代安山岩中之基质及结晶.金瓜石之明矾石，在矿床及变质围岩中呈粒状或鳞片状产出。为明矾及硫酸钾的来源，另可提炼铝及造纸，食品加工，净水剂，染料等用途.空气负离子技术。
选用具有明显的热电效应的稀有矿物石为原料，加入到墙体材料中，在与空气接触中，可发生极化，并向外放电，起到净化室内空气的作用。
生物的热电效应
美国科学家发现，鲨鱼鼻子里的一种胶体能把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知细微的温度变化，从而准确地找到食物____科学家猜测，其他动物体内也可能存在类似的胶体.这种因温差而产生电流的性质与半导体材料的热电效应类似，人工合成这种胶体，有望在微电子工业领域获得应用。
美国旧金山大学的一位科学家在1月30日出版的英国《自然》杂志上报告说，他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普通明胶相似的胶体，发现它对温度非常敏感，0.1摄氏度的温度变化都会使它产生明显的电压变化。
鲨鱼鼻子的皮肤小孔布满了对电流非常敏感的神经细胞.海水的温度变化使胶体内产生电流，刺激神经，使鲨鱼感知到温度差异.科学家认为，借助这种胶体，鲨鱼能感知到0.001摄氏度的温度变化，这有利于它们在海水中觅食。
哺乳动物靠细胞表面的离子通道感知温度：外界温
度变化导致带电的离子进出通道，产生电流，刺激神经，从而使动物感知冷暖.与哺乳动物的这种方式不同，鲨鱼利用胶体，不需要离子通道也能感知温度变化。
热电效应的应用
热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕米尔效应）的一种制冷方法。
1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。
半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。图1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。
热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。
热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。
一般的冷气与冰箱运用氟氯化物当冷媒，造成
臭氧层的被破坏.无冷媒
冰箱(冷气)因而是环境保护的重要因素.利用半导体之热电效应，可制造一个无冷媒的冰箱。
这种发电方法是将
热能直接转变成
电能，其转变效率受热力学第二定律即柯诺特效率(Carnotefficiency)的限制.早在1822年西伯即已发现，因而热电效应又叫西伯效应(Seebeckeffect)。
它不但与两结温度有关，且与所用导体的性质有关.这种发电法的优点是没有转动的机械部分，不会有磨损现象，故可长久使用，但欲达高效率需要温度很高的热源，有时利用数层热电物质之层叠(cascade或staging)以达高效率的效果.
热电第三效应——汤姆逊效应
威廉·汤姆逊1824年生于爱尔兰，父亲詹姆士是贝尔法斯特皇家学院的数学教授，后因任教格拉斯哥大学，在威廉8岁那年全家迁往苏格兰的格拉斯哥。汤姆逊十岁便入读格拉斯哥大学
(你不必惊讶，在那个时代，爱尔兰的大学会取录最有才华的小学生)，约在14岁开始学习大学程度的课程，15岁时凭一篇题为“地球形状”的文章获得大学的金奖章。汤姆逊后来到了剑桥大学学习，并以全年级第2名的成绩毕业。他毕业后到了巴黎，在勒尼奥的指导下进行了一年实验研究。1846年，汤姆逊再回到格拉斯哥大学担任自然哲学
(即现在的物理学) 教授，直到1899年退休为止。
汤姆逊在格拉斯哥大学创建了第一所现代物理实验室；24岁时发表一部热力学专著，建立温度的“绝对热力学温标”；27岁时发表《热力学理论》一书，建立热力学第二定律，使其成为物理学基本定律；与焦耳共同发现气体扩散时的焦耳－汤姆逊效应；历经9年建立欧美之间永久大西洋海底电缆，由此获得“开尔文勋爵”的贵族称号。
汤姆逊一生研究范围相当广泛，他在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡献。撇开这些不谈，回到“汤姆逊效应”这个主题上来。在介绍汤姆逊效应之前，还是先介绍一下前人所做的工作。
1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。
1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson
effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。
汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差（其中的一端产生热量，另一端吸收热量）的现象，两者结合起来就构成了塞贝克效应。
汤姆逊效应的物理学解释是：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。
汤姆逊效应因为产生的电压极其微弱，至今尚未发现实际应用。
查找资料时发现，除了威廉·汤姆逊外，另有一个同名的英国物理学家约瑟夫·汤姆逊（Joseph John
Thomson，1856-1940），他证明了阴极射线实际上是电子束。
热电第二效应——珀尔帖效应·半导体制冷片
两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（PeltierEffect）。
也许大家还记得前面曾经介绍过的塞贝克效应（也叫热电效应，温差使两种金属的结合处产生电势），帕尔帖效应可以视为塞贝克效应的反效应。通常将塞贝克效应称为热电第一效应，帕尔帖效应称作热电第二效应，后面即将介绍的汤姆逊效应则称作热电第三效应。
帕尔帖效应是法国科学家珀尔帖于1834年发现的，所以，一提到帕尔帖的名字，人们很容易将他与帕尔帖效应联系起来，并误以为他是一个物理学家，实际上他至多算个业余的物理学家。
JeanCharlesAthanasePelti
er（1785～1845）
帕尔帖生于法国索姆，他本来是一个钟表匠，30岁那年放弃了这个职业，转而投身到实验与科学观测领域之中。在他撰写的大量论文中，绝大部分都是关于自然现象的观测，譬如天电、龙卷风、天空蓝度测量与光偏振、球体水温、极地沸点等，也有少量博物学方面的论文。
1837年，俄国物理学家愣次（Lenz，1804～1865）发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”。
Q=л·I=a·Tc·I，其中л=a·Tc
式中：Q——放热或吸热功率
π——比例系数，称为珀尔帖系数
I——工作电流
a——温差电动势率
Tc——冷接点温度
帕尔帖效应发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件——热电致冷器（ThermoElectriccooling，简称TEC）。
TEC套件（图示)(TEC＋直流电源），可作为CPU和GPU的散热器
与风冷和水冷相比，半导体致冷片具有以下优势：（1）可以把温度降至室温以下；（2）精确温控（使用闭环温控电路，精度可达±0.1℃）；（3）高可靠性（致冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；（4）没有工作噪音。
TEC基本工作过程：当一块N型半导体和一块P型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路中接入一个直流电源，电偶上就会流过电流，发生能量转移，在一个接点上放热（或吸热），在另一个接点上相反地吸热（或放热）。
对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。
在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。
帕尔帖模块也称作热泵（heatpumps），它既可以用于致热，也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具，只要热端（被冷却物体）的温度高于某温度，半导体制冷器便开始发挥作用，使得冷热两端的温度逐渐均衡，从而起到致冷作用。
英文名称
光电效应∶Photoelectric
effect
光电效应概述
光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。
金属表面在光辐照作用下发射
电子的效应，发射出来的电子叫做
光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，
金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为
爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric
effect)。 光电效应分为光电子发射、
光电导效应和
光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关
,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.
光电效应说明 ①光电效应的实验规律。
a．
阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子束和照射
发光强度成正比。
b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的
频率有关而和发光强度无关。这就是说，光电子的初
动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。
c．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ。叫做红限
波长。不同物质的极限频率”。和相应的红限波长λ。是不同的。
几种金属材料的极限波长
一些金属的极限波长(
埃)：
铯
钠
锌
银
铂
6520 5400 3720 2600 1960
d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10的-9次方秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。
②解释光电效应的爱因斯坦方程：根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的
能量可以被物体中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量hυ后，能量增加，不需要积累能量的过程。如果电子吸收的能量hυ足够大，能够克服脱离原子所需要的能量(即电离能量)I和脱离物体表面时的逸出功(或叫做功函数)W，那么电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。
爱因斯坦方程
hυ=(1/2)mv^2+I+W 式中(1/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。
金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 hυ=(1/2)mv^2+W
假如hυ<W,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率) υ0。由
hυ0=W确定。相应的极限波长为 λ0=C/υ0=hc/W。
发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。
③利用光电效应可制造光电倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式：
光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能 代数形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中
h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的频率， φ是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，
f0是光电效应发生的阀值频率， Em是被射出的电子的最大动能， m是被发射电子的静止质量， v是被发射电子的速度，
注：如果光子的能量（hf）不大于功函数（φ），就不会有电子射出。功函数有时又以W标记。
这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。
爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖 。
