塞贝克效应实验装置的设计与实验结果

毛杰键，庄玲，付金仙，杨建荣

(上饶师范学院 物理与电子信息学院，江西 上饶 334001)

德国物理学家塞贝克于1822年首先发现由两种不同材料制成的回路，当二个结点处的温度不等时，回路中有电流存在，在两结点间产生了电动势，这种由于温差的存在而产生的电效应，后来称之为塞贝克效应［1］。它是温差电效应中的一种，具有二方面的应用价值:一是根据温差电动势的大小测量温度，制成温度传感器，广泛地用于温度自动探测、工业生产、智能机器人、航空航天等领域［2，3］;二是利用存在的温差制造电源、电池等［4，5］。例如，电子和机械装置在工作过程中，自身都会产生一定的废热，这些废热会影响电子和机械装置的正常工作，如何排除这些废热使电子和机械装置稳定工作，是必须考虑解决的问题，根据塞贝克效应，处在具有温度梯度中的导体，会产生电压的这一原理，可以将这些热能转变为电能，加以利用。受此启发，许多学者在探索开发低成本高效率的将热能转化为电能的固态发电机。这种发电机的特点是没有运动部分，因此不会磨损，使用寿命和可靠性几乎是无限的，创造这样的新一代的热电发电机，具有重要的意义。但是塞贝克效应产生的电压一般很小，1℃的温差，产生的电压只有几微伏，它与材料和所处的环境有关。2008年在磁性材料中人们发现了自旋塞贝克效应，后来，用掺杂的锑化铟制成所需材料，放在零下253℃至零下271℃环境中，外加3特斯拉磁场，发现将材料一面加热升温1℃，在另一面检测到8毫伏的电压，使塞贝克效应提高了三个数量级，功率提高了近百万倍，被称为巨自旋塞贝克效应。仍然达不到制造热电发电机的商业要求，还需继续探索新材料新环境。

在大学物理的教材中对温差电效应有一定的介绍，但至今还没有相应的有关塞贝克效应的大学物理实验。为了学生理解和应用塞贝克效应解决实际问题，提高学生学物理用物理的能力，我们研究设计了塞贝克效应的实验装置，并取得了实验结果。

1 塞贝克效应实验装置的设计

由于不同金属的性质的差异，相应的逸出功不同，活泼的金属逸出功小，反之则逸出功大。由于铝和铜是二种导电和导热性能较好的材料，但它们核外电子不同，因此我们选用铝和铜二种金属作为实验对象，将它们的一端紧靠并固定在一起，放在热源中，如图1所示，其中T1为探测高温端温度的铜—康铜热电偶温度探测器。在离铝棒和铜棒高温端等距离处，分别接上铜—康铜热电偶温度探测器T2和T3，测量低温端的温度。同时在铝棒和铜棒之间接入微电流计，通过测量二金属棒之间的电流，反映温差电动势的大小。温度探测器的低温端放在冰水混合的保温杯中，分别从A、B和C三个数字电压表(其中热电偶为KJES，热电阻为Pt100、CU50)中读出电压，查铜—康铜热电偶电压与温度对应表，可知T1，T2和T3相应温度的大小。

图1 塞贝克效应实验装置图。

2 实验方案和结果

塞贝克效应是由二种不同材料相互接触，且两端温度不同而产生电动势的物理现象，有别于接触电动势。为此我们要研究的是温度和温差的变化与电流(电动势)的关系。需要测量的物理量有时间、温度(T1高温端温度、T2铝棒低温端温度、T3铜棒低温端温度)和电流(电压)等。将加热电源调到某一固定值，对铝棒和铜棒进行加热。每隔20秒，记录A、B、C三个电压表的温差电压(T1，T2，T3)和一个电流表的温差电流I，结果如表1所示。为了进一步探讨加热速度与温差电流I的关系，提高加热电源的输出电压到某一固定值，得到表2所示结果。

表1 加热电源的输出电压V=100V时所测得的温差电压T1，T2，T3和温差电流I

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表2 加热电源的输出电压V=200V时所测得的温差电压T1，T2，T3和温差电流I

3 分析讨论

根据表1的实验结果，可得铝和铜棒高温端温度T1，铝棒低温端温度T2，铜棒低温端温度T3与加热时间t的关系，如图2;温差电流I和低温端温度T2、T3随T1的变化，如图3;温差电流I随温差T的变化，如图4。根据表2的实验结果，可得图5至图7。其中图3和图6的横轴T是高温端温度T1，纵轴f(T)表示温差电流I和低温端温度T2、T3;图4和图7的横轴T是高温端与低温端温度的温差，纵轴I表示温差电流。

图2温度T随时间t变化

图3 温差电流I和T2T3随T的变化

图4 温差电流I随温差的变化

图5温度T随时间t变化

图6 温差电流I和T2T3随T的变化

图7 温差电流I随温差的变化

由图2和图5可知，加热开始时，高温端温度、高低端温差增加快，曲线斜率大，温度和温差达到一定程度，曲线斜率变小，直至热平衡态，温度和温差不再增大。系统加热功率大(图5)比加热功率小(图2)的温度升高得快，温差亦大。

图3的I曲线表明，温差电流随高温端热源温度的升高，近似线性增大。当继续增大热源温度大于5mV(大于120℃)，如图6，温差电流I曲线增加的速度变得越来越缓慢，斜率越来越小，表明温差电流不随温度的升高而线性增大，是非线性的关系。图4进一步表明温差电流I，在温差电压小于3.5mV，温差小于100℃时，近似线性增大，当温差电压大于4mV，温差大于100℃时，温差电流I增加的速啡变得越来越缓慢，斜率越来越小(如图7)，表明温差电流亦不随温差的增大而线性增大，是非线性的关系。

虽然铝棒和铜棒低温端的探测器离热源的距离相等，从上图中可看出T2和T3曲线并不完全重合，这是由于T2铝棒与T3铜棒的散热面积和导热系数不同，造成T2和T3的温度变化不同，曲线不重合。

4 结论

利用我们设计的塞贝克效应实验装置，证明了温差电效应现象，得到了温差电流与温度和温差的实验关系。结果表明，加热开始时，系统温度升高快，温差增大也快，温差电流随热源温度的升高和温差的增大，近似线性增大。当继续增大热源温度到5mV(120℃)，温差增大到100℃时，温差电流增加的速度变得越来越缓慢，斜率越来越小，说明温差电流不随温度和温差的升高而线性增大，是非线性的关系。这一结果对应用温差效应解决现实问题具有一定的科学意义，对提高学生的认识和培养应用实验手段解决实际物理问题的能力具有一定的示范作用。

［1］梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］唐贤远，刘岐山.传感器原理及应用［M］.成都:电子科技大学出版社，2000.

［3］单成祥.传感器理论与设计基础及其应用［M］.北京:国防工业出版社，1999.

［4］曾辉，曾琪.塞贝克效应及其应用［J］.嘉应学院学报(自然科学)，2004，22(3):52－54.

［5］许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电［J］.现代物理知识，2004，16(1):40－42.