为什么没有发明出一种热效应的电池呢？

【专家解说】：热电材料研究又成热点 将不同材料的导体连接起来,并通入电流,在不同导体的接触点——结点,将会吸收(或放出)热量. 1834年,法国物理学家佩尔捷 (J. C. A. Peltier) 发现了上述热电效应. 1838年,俄国物理学家楞次 (L.Lenz) 又做出了更具显示度的实验:用金属铋线和锑线构成结点,当电流沿某一方向流过结点时,结点上的水就会凝固成冰; 如果反转电流方向, 刚刚在结点上凝成的冰又会立即熔化成水. 热电效应本身是可逆的.如果把楞次实验中的直流电源换成灯泡, 当我们向结点供给热量,灯泡便会亮起来. 尽管当时的科学界对佩尔捷和楞次的发现十分重视,但发现并没有很快转化为应用. 这是因为,金属的热电转换效率通常很低. 直到20世纪50年代,一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现, 热电技术 (热电制冷和热电发电) 的研究才成为一个热门课题. 目前,在室温附近使用的半导体制冷材料以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础. 通过掺杂制成P型和N型半导体. 如前所述,将一个P型柱和一个N型柱用金属板连接起来,便构成了半导体制冷器的一个基本单元. 如果在结点处的电流方向是从N型柱流向P型柱,则结点将成为制冷单元的“冷头”(温度为Tc), 而与直流电源连接的两个头将是制冷单元的“热端”(温度为Th). 佩尔捷系数Π= Q· / I, 其中Q·是单位时间内在结点处吸收的热量, I是电流强度,Π的物理意义是,单位电荷在越过结点时的能量差.在热电材料研究中,更容易测量的一个相关参数是泽贝克(Seebeck)系数α,α=Π/ T, 其中T是温度. 显然,α描述单位电荷在越过结点时的熵差. 对于制冷应用来说,初看起来,电流越大越好,佩尔捷系数(或泽贝克系数)越大越好.不幸的是,实际非本征半导体的性质决定了二者不可兼得: 电流大要求电导率σ高, 而σ和α都是载流子浓度的函数. 随着载流子浓度的增加,σ呈上升趋势,而α则下跌, 结果α2σ只可能在一个特定的载流子浓度下达到最大 (注:由热激活产生的“电子-空穴对”本征载流子, 对提高热电效益不起作用). 半导体制冷单元的P型柱和N型柱, 都跨接在Tc和Th之间. 这就要求它们具有大的热阻.否则,将会加大Tc和Th间的漏热熵增, 从而抵消从Tc端吸热同时向Th端放热的制冷效果. 最终决定热电材料性能优劣的是组合参数Z =α2σ/κ, 其中κ是材料的热导率. 参数Z和温度T的乘积ZT无量纲, 它在评价材料时更常用. 目前,性能最佳的热电材料, 其ZT值大约是1.0 ；为要使热电设备与传统的制冷或发电设备竞争, ZT值应该大于2. Glen Slack把上述要求归纳为“电子-晶体和声子-玻璃”.也就是说,好的热电材料应该具有晶体那样的高电导和玻璃那样的低热导.在长程有序的晶体中,电子以布洛赫波的方式运动.刚性离子实点阵不会使传导电子的运动发生偏转.电阻的产生来源于电子同杂质、晶格缺陷以及热声子的碰撞.因此,在完善的晶体中σ可以很大. 以无量纲优值系数ZT来衡量热电材料: BiSb系列适用于50—150K温区; Bi2Te3系列适用于250—500K; PbTe系列适用于500—800K; SiGe系列适用于1100—1300K. 低温热电器件(T≤220K)主要用于冷却计算机芯片和红外探测器.高温热电设备可将太阳能和核能转化成电能,主要用于航天探测器和海上漂浮无人监测站的供电. 最近,氟里昂制冷剂的禁用,为半导体制冷的发展提供了新的契机. 1998年秋季在美国波士顿召开的材料研究学会(MRS)学术会议上,热电材料研究再一次成为讨论的热点. 参考文献 [ 1 ] Tritt T M. Science, 1999, 283: 804—805 [ 2 ]南策文.中国科学基金, 1999(4): 199—203 (中国科学院理化技术研究所　戴闻)