塞贝克效应是一种将温差转换为电压的现象，反之亦然。它以德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克（ThomasJohannSeebeck）的名字命名，他于年发现了它。塞贝克效应是热电偶、热电发电机和自旋热量电子学的基础。
什么是塞贝克效应？
塞贝克效应被定义为在连接成环且结点之间有温差的两个不同导体或半导体之间产生电势（或电压）。电压与温差成正比，取决于所使用的材料。例如，热电偶是一种使用塞贝克效应来测量温度的设备。它由两端连接的不同金属（如铜和铁）制成的两根电线组成。一端暴露在热源（如火焰）中，另一端保持低温（如冰水）。两端之间的温差在电线上产生电压，该电压可以通过电压表测量。
塞贝克效应也可用于利用废热发电。热电发电机是由许多串联或并联的热电偶组成的装置。热电偶的热侧连接到热源（如发动机或熔炉），冷侧连接到散热器（如空气或水）。两侧之间的温差产生电压，可以为电力负载（例如灯泡或风扇）供电。
塞贝克效应是如何工作的？
塞贝克效应可以用电子在导体和半导体中的行为来解释。电子是带负电的粒子，可以在这些材料中自由移动。当导体或半导体被加热时，其电子会获得更多的动能并且往往移动得更快。这导致它们从热区域扩散到冷区域，从而产生电流。
然而，不同的材料具有不同数量和类型的电子可用于传导。有些材料比其他材料具有更多的电子，而有些材料具有不同自旋取向的电子。自旋是电子的量子特性，使它们像微小的磁铁一样起作用。当两种具有不同电子特性的材料连接在一起时，它们会形成一个界面，电子可以在其中交换能量和自旋。
当两个这样的界面受到温差的影响时，就会发生塞贝克效应。热界面处的电子从热源获得更多能量并自旋，并通过回路将它们传递给冷界面处的电子。这会在界面之间造成电荷和自旋的不平衡，从而产生电势和磁场。电势驱动电流通过回路，而磁场则使放置在其附近的罗盘指针偏转。
塞贝克效应的应用是什么？
塞贝克效应在科学、工程和技术中有许多应用。
热电偶：这些设备利用塞贝克效应以高精度和灵敏度测量温度。它们广泛用于工业、实验室和家庭的各种用途，如控制烤箱、监控发动机、测量体温等。
热电发电机：这些是利用塞贝克效应将废热转化为电能用于特殊应用的设备，例如为航天器、遥感器、医疗植入物等供电。
自旋热电子学：这是物理学的一个分支，研究磁性材料中的热量和自旋如何相互作用。塞贝克效应在该领域起着重要作用，因为它可以从温度梯度中产生自旋电流和电压。这可能导致用于信息处理和存储的新型设备，例如自旋电池、自旋晶体管、自旋阀等。
塞贝克效应的优点和局限性是什么？
塞贝克效应具有一些影响其性能和效率的优点和局限性。其中一些是：
优点：塞贝克效应简单、可靠、用途广泛。它不需要任何移动部件或外部电源。它可以在很宽的温度和材料范围内工作。它可以从低品位的热源中发电，否则这些热源将被浪费。
局限性：塞贝克效应受材料可用性和相容性的限制。它需要具有高导电性和低导热性的材料来实现高电压和低热损失。它还需要具有不同塞贝克系数的材料来产生电压差。塞贝克系数是一种属性，用于测量给定材料每单位温差产生的电压量。塞贝克系数取决于电荷载流子的类型和浓度、它们的能级以及它们与晶格的相互作用。塞贝克系数会随温度、成分和磁场而变化。寻找具有高且稳定的塞贝克系数的材料是热电应用的挑战。
塞贝克效应使用的材料类型有哪些？
用于塞贝克效应的材料可分为三类：金属、半导体和超导体。
金属：金属是电和热的良导体。它们具有低塞贝克系数和高导热系数，这使得它们在热电应用中效率低下。然而，金属易于制造和连接，并且具有很高的机械强度和稳定性。金属通常用于热电偶，其中精度和耐用性比效率更重要。用于热电偶的金属对的一些例子是铜-康铜、铁-康铜、铬-铝等。
半导体：半导体是具有中间电导率的材料，可以通过掺杂或施加电场来控制。与金属相比，它们具有更高的塞贝克系数和更低的导热系数，这使得它们更适合热电应用。然而，半导体更难制造和连接，并且它们的机械强度和稳定性低于金属。半导体通常用于热电发电机和冷却器，其中效率和性能比精度和耐用性更重要。用于热电器件的半导体对的一些例子是碲化铋-碲化锑、碲化铅-硅锗等。
超导体：超导体是在临界温度以下电阻为零的材料。它们具有非常高的塞贝克系数和非常低的导热系数，这使其成为热电应用的理想选择。然而，超导体非常稀有且昂贵，并且它们需要非常低的温度才能运行，这限制了它们的实际应用。超导体主要用于研究目的，例如研究自旋塞贝克效应，这是一种涉及从磁性材料中的温度梯度产生自旋电压的现象。
总结
塞贝克效应是一种迷人的现象，它将温差转化为电压，反之亦然。它在科学、工程和技术中有许多应用，例如热电偶、热电发电机、热电冷却器和自旋热量电子学。塞贝克效应取决于所使用的材料、它们的电导率、热导率和塞贝克系数。寻找具有高且稳定的塞贝克系数的材料是提高热电器件效率和性能的挑战。