热电偶

01 热电效应

一、背景介绍

  这是一个由电池、金属连线组成的电路回路。 回路中形成电流。 如果此事将电池两端短接，相当于去掉电池， 回路中的电流就会消失。 有什么办法可以使得电路电流永远循环下去吗？ 除非电路的导线是超导体， 否则在没有额外电动势驱动下， 电路中是不会永远存在电流的。

  这是Steve Mould 在他的视频中所做的演示，说明他小时候的一个想法，在电池通电后突然短接导线，希望能够看到导线中的电流能够保持。 但这种想法在单个铜丝电路回路中，如果没有化学电动势，或者电磁感应电动势则无法形成持续的电流循环。 形成循环电流的一种最简单的方式，就是利用两个不同电线形成回路，在两个节点处于不同的温度时便可以形成热电流。 这种热电动势的效应包括两种互补的效应。一是 Seebeck 效应，二是 Pelter 效应。分别是温度差产生电流，另一个是电流产生温度差。

二、煤气灶安全阀

  今天之所以记录 Steve Mould这个短视频， 一方面是他谈到了一个司空见惯的一个事实，家里厨房内煤气灶具上的安全装置，热电偶堆的结构和功能。 这个有若干段热电偶串联而成的传感器，可以感知火焰的温度，进而控制阀门的关闭。 一旦炉灶火焰被外溢的烹调汤水破灭，热电偶温度降低之后便会自动关闭煤气阀门，进而防止 燃气外溢。 这个视频显示了热电偶一段一旦被火焰加热，它输出的电流就可以通过电磁线圈吸合煤气开关的过程。 尽管热电偶的电压比较低，只有几毫伏，但所产生的的电流还是比较大的。

三、Seekbeck效应

  Steve Mould还使用了更加浅显的方式解释了Seebeck效应的原理。加热金属内部的自由电子就像气体会被从温度高的地方驱动到温度比较低的区域。 这就使得金属导体的一端略微呈现正电荷，另外一端呈现负电荷。 如果是两个不同的金属，则由于内部原子和对于电子束缚能力不同，则所形成的的电压差不同。 将这两种不同的金属链接在一起，上面的金属产生大的电位差。 下面金属所产生的的电动势弱，这样在两者共同电动势的作用下， 最终形成了顺时针的净电动势，所以最终就形成的单向流动的电流。这个动图解释比较生动形象阐明了Seekbeck效应的原理。

四、Peltier效应

  从原理解释上，显然Peltier效应即Seekbeck效应的逆过程说明清楚比较复杂。 首先Steve Mould把金属内原子周围移动的电子比喻成一些可以随意移动的小球，  这些小球与烧杯内的钢珠是有区别的。区别在哪儿呢？  最大区别在于金属内的可移动电子在不停的进行着热运动，  不同金属内自由电子热运动的程度不同。当两个不同金属接触就会在接触界面形成一个交汇区。  因此在Peltier效应中施加的电压相当于给电子一个作用力，是他们从底层的抽屉跃上顶层的抽屉。  就像这里的弹球从地面跃上桌面之后，由于丢失了 一部分的势能，小球的随机运动程度减少了。  这些跃上高层运动的电子的热运动减少，对应着金属内部的热能下降，温度降低。  如果施加相反的电压，将电子从高能状态金属层驱赶到低能金属层，电子获得动能则表现为热运动增加，使得金属结的温度上升。  这是一个半导体制冷片，通过9V电池驱动后，两边便分别出现高温与低温，可以就是Peltier效应的展示。  这是半导体制冷片工作后可以使其表面的水滴凝结成冰。

※ 总  结 ※

  本文摘取了 Steve Mould的短视频， 非常形象的介绍了热电效应的 原理。

一、参考资料

• Make Electricity Go Round and Round - The Thermoelectric Effect^[1]

• Thermoelectric effect^[2]

参考资料