熱電——發現、物理基礎和應用

發現史

傳說最早關於熱電的記載是公元前314年古希臘哲學家和植物學家Theophrastus做出的。根據這些記錄，Theophrastus 曾經註意到礦物電氣石的晶體在加熱時開始吸引灰燼和稻草碎片。很久以後，在 1707 年，德國雕刻師約翰·施密特 (Johann Schmidt) 重新發現了熱釋電現象。

還有另一個版本，根據這個版本，熱電的發現歸功於著名的古希臘哲學家和旅行家米利都的泰勒斯，根據這個版本，他在公元前 6 世紀初發現了熱電。 N. E. 在前往東方國家時，泰勒斯對礦物和天文學做了筆記。

通過研究摩擦過的琥珀吸引吸管向下的能力，他能夠科學地解釋摩擦起電現象。柏拉圖後來在蒂邁歐對話錄中描述了這個故事。柏拉圖之後，早在 10 世紀，波斯哲學家阿爾比魯尼 (Al-Biruni) 在他的著作《礦物學》中描述了石榴石晶體的類似特性。

1757 年，弗朗茨·埃皮努斯 (Franz Epinus) 和約翰·威爾克 (Johann Wilke) 開始研究某些材料相互摩擦時的極化現象，晶體的熱電性和其他類似電現象之間的聯繫將得到證實和發展。

127 年後，德國物理學家奧古斯特·昆特 (August Kundt) 將展示一個生動的實驗，他將加熱碧璽晶體，然後將其倒入裝有紅鉛和硫磺粉末混合物的篩子中。硫將帶正電，而紅鉛帶負電，導致橙紅色鉛為碧璽晶體的一側著色，而另一側覆蓋著明亮的黃灰色。奧古斯特·昆德 (August Kund) 隨後冷卻了碧璽，晶體的“極性”發生了變化，顏色也發生了變化。觀眾很高興。

該現象的本質是，當碧璽晶體的溫度僅變化1度時，晶體中就會出現每厘米約400伏特的電場。請注意，與所有熱釋電一樣，碧璽既是 壓電的 （順便說一句，並非所有的壓電體都是熱電體）。

物理基礎

在物理上，熱電現像被定義為由於溫度變化而在晶體中出現電場。溫度的變化可能是由直接加熱、摩擦或輻射引起的。這些晶體包括在沒有外部影響的情況下具有自發（自發）極化的電介質。

自發極化通常不會被注意到，因為它產生的電場被周圍空氣和晶體主體施加到晶體的自由電荷電場所抵消。當晶體的溫度發生變化時，其自發極化的幅度也會發生變化，從而導致電場的出現，這是在自由電荷補償發生之前觀察到的。

熱釋電自發極化的變化不僅可以通過它們的溫度變化來引發，還可以通過機械變形來引發。這就是為什麼所有的熱釋電也是壓電，但並非所有的壓電都是熱釋電自發極化，即晶體內部負電荷和正電荷的重心不匹配，是由晶體的低自然對稱性解釋的。

熱釋電的應用

如今，熱釋電被用作各種用途的傳感設備，如輻射接收器和探測器、溫度計等的一部分。所有這些設備都利用了熱釋電的一個關鍵特性——作用在樣品上的任何類型的輻射都會引起樣品溫度的變化及其極化的相應變化。如果在這種情況下，樣品表面覆蓋有導電電極，並且這些電極通過電線連接到測量電路，則電流將流過該電路。

並且如果在熱釋電轉換器的輸入端有任何類型的輻射流，這會導致熱釋電的溫度波動（例如通過人工調製輻射強度獲得周期性），則電流為在輸出端獲得，它也以一定的頻率變化。

熱釋電輻射探測器的優點包括：探測輻射的頻率範圍無限大、靈敏度高、速度快、熱穩定性好。在紅外區域使用熱釋電接收器特別有前途。

它們實際上解決了檢測低功率熱能流、測量短激光脈衝的功率和形狀以及高靈敏度非接觸式和接觸式溫度測量（精度為微度）的問題。

今天，人們認真討論了使用熱釋電將熱能直接轉換為電能的可能性：輻射能的交變流在熱釋電元件的外電路中產生交流電。雖然這種裝置的效率低於現有的能量轉換方法，但對於一些特殊應用來說，這種轉換方法仍然是可以接受的。

在紅外成像系統（夜視等）中使用熱釋電效應可視化輻射空間分佈的可能性特別有前途。創造了熱釋電攝像機——帶有熱釋電目標的熱傳輸電視管。

將溫暖物體的圖像投射到目標上，在其上建立相應的電荷釋放，由掃描電子束讀取。電子束電流產生的電壓控制著在屏幕上繪製物體圖像的電子束的亮度。