塞貝克效應(yīng)實驗裝置的設(shè)計與實驗結(jié)果

毛杰鍵，莊玲，付金仙，楊建榮

(上饒師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，江西 上饒 334001)

德國物理學(xué)家塞貝克于1822年首先發(fā)現(xiàn)由兩種不同材料制成的回路，當(dāng)二個結(jié)點處的溫度不等時，回路中有電流存在，在兩結(jié)點間產(chǎn)生了電動勢，這種由于溫差的存在而產(chǎn)生的電效應(yīng)，后來稱之為塞貝克效應(yīng)［1］。它是溫差電效應(yīng)中的一種，具有二方面的應(yīng)用價值:一是根據(jù)溫差電動勢的大小測量溫度，制成溫度傳感器，廣泛地用于溫度自動探測、工業(yè)生產(chǎn)、智能機器人、航空航天等領(lǐng)域［2，3］;二是利用存在的溫差制造電源、電池等［4，5］。例如，電子和機械裝置在工作過程中，自身都會產(chǎn)生一定的廢熱，這些廢熱會影響電子和機械裝置的正常工作，如何排除這些廢熱使電子和機械裝置穩(wěn)定工作，是必須考慮解決的問題，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，處在具有溫度梯度中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生電壓的這一原理，可以將這些熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽右岳?。受此啟發(fā)，許多學(xué)者在探索開發(fā)低成本高效率的將熱能轉(zhuǎn)化為電能的固態(tài)發(fā)電機。這種發(fā)電機的特點是沒有運動部分，因此不會磨損，使用壽命和可靠性幾乎是無限的，創(chuàng)造這樣的新一代的熱電發(fā)電機，具有重要的意義。但是塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的電壓一般很小，1℃的溫差，產(chǎn)生的電壓只有幾微伏，它與材料和所處的環(huán)境有關(guān)。2008年在磁性材料中人們發(fā)現(xiàn)了自旋塞貝克效應(yīng)，后來，用摻雜的銻化銦制成所需材料，放在零下253℃至零下271℃環(huán)境中，外加3特斯拉磁場，發(fā)現(xiàn)將材料一面加熱升溫1℃，在另一面檢測到8毫伏的電壓，使塞貝克效應(yīng)提高了三個數(shù)量級，功率提高了近百萬倍，被稱為巨自旋塞貝克效應(yīng)。仍然達不到制造熱電發(fā)電機的商業(yè)要求，還需繼續(xù)探索新材料新環(huán)境。

在大學(xué)物理的教材中對溫差電效應(yīng)有一定的介紹，但至今還沒有相應(yīng)的有關(guān)塞貝克效應(yīng)的大學(xué)物理實驗。為了學(xué)生理解和應(yīng)用塞貝克效應(yīng)解決實際問題，提高學(xué)生學(xué)物理用物理的能力，我們研究設(shè)計了塞貝克效應(yīng)的實驗裝置，并取得了實驗結(jié)果。

1 塞貝克效應(yīng)實驗裝置的設(shè)計

由于不同金屬的性質(zhì)的差異，相應(yīng)的逸出功不同，活潑的金屬逸出功小，反之則逸出功大。由于鋁和銅是二種導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能較好的材料，但它們核外電子不同，因此我們選用鋁和銅二種金屬作為實驗對象，將它們的一端緊靠并固定在一起，放在熱源中，如圖1所示，其中T1為探測高溫端溫度的銅—康銅熱電偶溫度探測器。在離鋁棒和銅棒高溫端等距離處，分別接上銅—康銅熱電偶溫度探測器T2和T3，測量低溫端的溫度。同時在鋁棒和銅棒之間接入微電流計，通過測量二金屬棒之間的電流，反映溫差電動勢的大小。溫度探測器的低溫端放在冰水混合的保溫杯中，分別從A、B和C三個數(shù)字電壓表(其中熱電偶為KJES，熱電阻為Pt100、CU50)中讀出電壓，查銅—康銅熱電偶電壓與溫度對應(yīng)表，可知T1，T2和T3相應(yīng)溫度的大小。

圖1 塞貝克效應(yīng)實驗裝置圖。

2 實驗方案和結(jié)果

塞貝克效應(yīng)是由二種不同材料相互接觸，且兩端溫度不同而產(chǎn)生電動勢的物理現(xiàn)象，有別于接觸電動勢。為此我們要研究的是溫度和溫差的變化與電流(電動勢)的關(guān)系。需要測量的物理量有時間、溫度(T1高溫端溫度、T2鋁棒低溫端溫度、T3銅棒低溫端溫度)和電流(電壓)等。將加熱電源調(diào)到某一固定值，對鋁棒和銅棒進行加熱。每隔20秒，記錄A、B、C三個電壓表的溫差電壓(T1，T2，T3)和一個電流表的溫差電流I，結(jié)果如表1所示。為了進一步探討加熱速度與溫差電流I的關(guān)系，提高加熱電源的輸出電壓到某一固定值，得到表2所示結(jié)果。

表1 加熱電源的輸出電壓V=100V時所測得的溫差電壓T1，T2，T3和溫差電流I

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表2 加熱電源的輸出電壓V=200V時所測得的溫差電壓T1，T2，T3和溫差電流I

3 分析討論

根據(jù)表1的實驗結(jié)果，可得鋁和銅棒高溫端溫度T1，鋁棒低溫端溫度T2，銅棒低溫端溫度T3與加熱時間t的關(guān)系，如圖2;溫差電流I和低溫端溫度T2、T3隨T1的變化，如圖3;溫差電流I隨溫差T的變化，如圖4。根據(jù)表2的實驗結(jié)果，可得圖5至圖7。其中圖3和圖6的橫軸T是高溫端溫度T1，縱軸f(T)表示溫差電流I和低溫端溫度T2、T3;圖4和圖7的橫軸T是高溫端與低溫端溫度的溫差，縱軸I表示溫差電流。

圖2溫度T隨時間t變化

圖3 溫差電流I和T2T3隨T的變化

圖4 溫差電流I隨溫差的變化

圖5溫度T隨時間t變化

圖6 溫差電流I和T2T3隨T的變化

圖7 溫差電流I隨溫差的變化

由圖2和圖5可知，加熱開始時，高溫端溫度、高低端溫差增加快，曲線斜率大，溫度和溫差達到一定程度，曲線斜率變小，直至熱平衡態(tài)，溫度和溫差不再增大。系統(tǒng)加熱功率大(圖5)比加熱功率小(圖2)的溫度升高得快，溫差亦大。

圖3的I曲線表明，溫差電流隨高溫端熱源溫度的升高，近似線性增大。當(dāng)繼續(xù)增大熱源溫度大于5mV(大于120℃)，如圖6，溫差電流I曲線增加的速度變得越來越緩慢，斜率越來越小，表明溫差電流不隨溫度的升高而線性增大，是非線性的關(guān)系。圖4進一步表明溫差電流I，在溫差電壓小于3.5mV，溫差小于100℃時，近似線性增大，當(dāng)溫差電壓大于4mV，溫差大于100℃時，溫差電流I增加的速啡變得越來越緩慢，斜率越來越小(如圖7)，表明溫差電流亦不隨溫差的增大而線性增大，是非線性的關(guān)系。

雖然鋁棒和銅棒低溫端的探測器離熱源的距離相等，從上圖中可看出T2和T3曲線并不完全重合，這是由于T2鋁棒與T3銅棒的散熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)不同，造成T2和T3的溫度變化不同，曲線不重合。

4 結(jié)論

利用我們設(shè)計的塞貝克效應(yīng)實驗裝置，證明了溫差電效應(yīng)現(xiàn)象，得到了溫差電流與溫度和溫差的實驗關(guān)系。結(jié)果表明，加熱開始時，系統(tǒng)溫度升高快，溫差增大也快，溫差電流隨熱源溫度的升高和溫差的增大，近似線性增大。當(dāng)繼續(xù)增大熱源溫度到5mV(120℃)，溫差增大到100℃時，溫差電流增加的速度變得越來越緩慢，斜率越來越小，說明溫差電流不隨溫度和溫差的升高而線性增大，是非線性的關(guān)系。這一結(jié)果對應(yīng)用溫差效應(yīng)解決現(xiàn)實問題具有一定的科學(xué)意義，對提高學(xué)生的認(rèn)識和培養(yǎng)應(yīng)用實驗手段解決實際物理問題的能力具有一定的示范作用。

［1］梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］唐賢遠，劉岐山.傳感器原理及應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，2000.

［3］單成祥.傳感器理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999.

［4］曾輝，曾琪.塞貝克效應(yīng)及其應(yīng)用［J］.嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué))，2004，22(3):52－54.

［5］許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電［J］.現(xiàn)代物理知識，2004，16(1):40－42.