熱電效應·熱電偶

Thomas Johann Seebeck（1780～1831）

［發現者］托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做“西伯克”）1770年生于塔林（當時隸屬于東普魯士，現為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個具有瑞典血統的德國人，也許正因為如此，他鼓勵兒子在他曾經學習過的柏林大學和哥廷根大學學習醫學。1802年，塞貝克獲得醫學學位。由于他所選擇的方向是實驗醫學中的物理學，而且一生中多半時間從事物理學方面的教育和研究工作，所以人們通常認為他是一個物理學家。

        畢業后，塞貝克進入耶拿大學，在那里結識了歌德。德國浪漫主義運動以及歌德反對牛頓關與光與色的理論的思想，使塞貝克深受影響，此后長期與歌德一起從事光色效應方面的理論研究。塞貝克的研究重點是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學對太陽光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當塞貝克從事應力玻璃中的光偏振現象時，他卻不曉得另外兩個科學家布魯斯特和比奧已經搶先在這一領域里有了發現。

        1818年前后，塞貝克返回柏林大學，獨立開展研究活動，主要內容是電流通過導體時對鋼鐵的磁化。當時，阿雷格（Arago）和大衛（Davy）才發現電流對鋼鐵的磁化效應，貝塞克對不同金屬進行了大量的實驗，發現了磁化的熾熱的鐵的不規則反應，也就是我們現在所說的磁滯現象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發光、太陽光譜不同波段的熱效應、化學效應、偏振，以及電流的磁特性等等。

   1820年代初期，塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導線連接在一起，構成一個電流回路。他將兩條導線首尾相連形成一個結點，他突然發現，如果把其中的一個結加熱到很高的溫度而另一個結保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構成的一個結時會有電流產生，這只能用熱磁電流或熱磁現象來解釋他的發現。在接下來的兩年里時間（18222～1823），塞貝克將他的持續觀察報告給普魯士科學學會，把這一發現描述為“溫差導致的金屬磁化”。

賽貝殼的實驗儀器，加熱其中一端時，指針轉動，說明導線產生了磁場

      塞貝克確實已經發現了熱電效應，但他卻做出了錯誤的解釋：導線周圍產生磁場的原因，是溫度梯度導致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。科學學會認為，這種現象是因為溫度梯度導致了電流，繼而在導線周圍產生了磁場。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學家們的眼睛讓奧斯特（電磁學的先驅）的經驗給蒙住了，所以他們只會用“磁場由電流產生”的理論去解釋，而想不到還有別的解釋。但是，塞貝克自己卻難以解釋這樣一個事實：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導線周圍產生磁場。所以，多數人都認可熱電效應的觀點，后來也就這樣被確定下來了。（來自：以色列·希伯萊大學網站，陳忠民譯）

［應用］熱電效應發現后的1830年，人們就為它找到了應用場所。利用熱電效應，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來測量溫度。只要選用適當的金屬作熱電偶材料，就可輕易測量到從－180℃到＋2000℃的溫度，如此寬泛的測量范圍，令酒精或水銀溫度計望塵莫及。現在，通過采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計，甚至可以測量高達＋2800℃的溫度！

     熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個結點，如圖（a）所示，環路電壓V_OUT為熱結點結電壓與冷結點（參考結點）結電壓之差。因為V_H和V_C是由兩個結的溫度差產生的，也就是說V_OUT是溫差的函數。比例因數α對應于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數。

熱電偶測溫原理

    圖（b）所示是一種 常見的熱電偶應用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的結點。本例中，每個開路結點與銅線電氣連接，這些連線為系統增加了兩個額外結點，只要這兩個結點溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結點的條件下使用。V_OUT仍然是熱結點與冷結點溫差的函數，與Seebeck系數有關。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結點的實際溫度，冷結點溫度必須是已知的。冷結點溫度為0℃(冰點)時是一種 簡單的情況，如果T_C=0℃，則V_OUT=V_H。這種情況下，熱結點測量電壓是結點溫度的直接轉換值。不過，在實際應用中這是難以實現的。為此，美國國家標準局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特征數據與溫度對應關系的查找表，所有數據均基于0℃冷結點溫度。利用冰點作為參考點，通過查找適當表格中的V_H可以確定熱結點溫度。