第二章 月面温差发电的基本效应与月面月壤温度分布特征.docx

第二章 月面温差发电的基本效应与月面月壤温度分布特征2.1 温差发电的基本效应当两种不同金属（或半导体）连接成一个闭合回路，将它们的接点放到两个温度不同的地方，则总的热电效应（又称温差电效应，Thermoelectric effects） 将同时发生的五种不同效应：塞贝克效应（Seebeck effects ）、珀尔帖效应（Peltier effect）、汤姆逊效应（Thomson effect）、焦耳效应（Joule effect）和傅立叶效应（Fourier effect）。其中，前三种效应是电和热可以相互转换的可逆效应。而另外两种效应即焦耳效应和傅立叶效应则是不可逆效应。这五种效应构成了温差电研究的理论基础。2.1.1 塞贝克效应1821年，塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接点处的温度不同，其周围就会出现磁场。进一步实验研究之后，发现了回路中有电动势存在，这种现象称为塞贝克效应。这种电动势就称为塞贝克电动势，又称温差电动势。如图2-1-1所示，如果两种不同材料金属a和b两端节点上存在温差ΔT 时，则在金属两端便会产生电动势ΔU，称为温差电动势。且温差电动势ΔU是大小与结点间的温差ΔT 成正比。比例常数称为塞贝克系数(也称温差电动势率)，其数值如式（2-1-1）： (2-1-1)接点1T+ΔT导体b导体b接点2T ＋ ?U －其单位为V/K或μV/K 。导体a图2-1-1 塞贝克效应示意图塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形成的。由于所选的材料不同，电位的变化可以是正或负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号也很重要。通常规定：同一接头处，若电流由导体b 流入导体a，则塞贝克系数ab就为负。事实上，对所有的材料都赋以塞贝克系数的绝对值就比较方便了。这样，热电偶由两种不同材料组成，则结点的塞贝克系数为两种不同材料绝对值的差。假设一种材料与某种塞贝克系数为零的理想材料结合在一起，就会得到这种绝对值。实际上，这种理想材料只能是处在极低温度下的超导体。在这样的温度下进行测量并用外插法推算到室温。当对铜进行这样的测量时，得到室温下绝对塞贝克系数约为2μV/K。由于这个数值在所希望的测量精度以内，所以通常都以铜为基准材料来测量，把所得的结果当作绝对塞贝克系数。若用和来表示材料1和2的绝对塞贝克系数，其数值可由开尔文关系式得到式（2-1-2）、（2-1-3）：(2-1-2)(2-1-3)由这两种材料所制成的热电对其系数如式（2-1-4）：(2-1-4)显然，当为正，为负时，最大。一般由纯金属构成的热电偶的平均值约为20μV/K ；由合金材料构成的热电偶，的平均值约为50μV/K，而对于半导体材料，，可达1000μV/K。2.1.2 珀尔帖效应当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点(junction)上将产生吸热或放热现象（图2-1-2），这是法国人珀尔帖最早发现的，1834 年首次发表于法国《物理和化学年鉴》上，因此这个现象称为珀尔帖效应。实验表明，结点上的换热量（珀尔帖热）与电流成正比如式（2-1-5）：?（2-1-5）式中为一比例常数，称为珀尔帖系数。其单位为W/A，因而也可以用电压的单位V 来表示。其定义可由开尔文关系式得到式（2-1-6）：? ??（2-1-6）像塞贝克系数一样，珀尔帖系数也取决于一对材料，而不只是取决于其中一种材料。对也有一个规定符号的问题，这必须与一致。通常规定，当电流在接头1 处由导体a 流入导体b 时，接头1 从外界吸热(接头2对外界放热)，则珀尔帖系数为正，反之为负。图2-1-2 珀尔帖效应示意图2.1.3 汤姆逊效应1854 年，Thomson 发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为汤姆逊效应。（如图2-1-3）汤姆逊热与通过的电流，温度梯度的乘积成正比如式（2-1-7）：（2-1-7）式中——每单位长度导体的吸热(放热率)，也称汤姆逊热；——比例常数，称为汤姆逊系数；I ——通过导体的电流；? ΔT ——温差；dT/dx——温度梯度。如果习惯电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，则汤姆逊系数τ为正值。汤姆逊系数的特点是只涉及一种材料的性质。温差与冷端温度的比值越大，汤姆逊现象愈明显。因此，对于某些计算考虑汤姆逊热可以提高计算精度。一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热分析计其中处于次要地位，可以忽略不计。图2-1-3 汤姆逊效应示意图汤姆逊效应的起因与珀尔帖效应相似，但在汤姆逊效应中，载流子的能量差异是由温度梯度引起的。汤姆逊系数 、塞贝克系数、珀尔帖系数间的关系如式(2-1-8)和(2-1-9)所示：（2-1-8）（2-1-9）2.1.4 焦耳效应单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积，如式（2-1-1