不需要"烧开水"，只要存在温差就可以发电？温差为什么能推动电荷移动？这种看似微弱的效应，又如何为深空探测器供电？本文带你认识塞贝克效应，看看"热"究竟怎样变成"电"的。

作者：ST
审核：时光

  说起发电，很多人都会说发电就是“烧开水”：把水烧开、让蒸汽推动汽轮机转起来，再将机械能转化为电能。最直观的例子就是火力发电，通过煤、天然气或燃油等燃料进行燃烧反应来烧水；而核能、地热能、生物质能甚至垃圾焚烧的发电形式也是上述的“烧开水”来实现能量转换的。不过，也有类似风力发电、光伏发电、水力发电和燃料电池这样不会用到所谓“烧开水”的发电方式。

  我们今天要讨论的不是上述这些发电方式，而是“热”如何发电。我相信很多人要说：“烧开水”不也会产生大量的热吗？确实，但是这里提到的“热”并不是烧水产生的热量，而是“热梯度”，通俗来讲就是温差。就像插入开水里的金属筷子，浸没于水中的那一段的温度很显然要高于拿在手中的那一段的温度，两个区域存在的温度差就可以被理解为温度梯度，即热梯度。

  可是这和发电又有什么关系呢？我们要知道：电并不是凭空而来的。比如上述“烧开水”的发电方式依赖法拉第电磁感应定律，即：让线圈和磁场发生相对运动。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁通量会产生感应电动势。变化的磁场就像一只看不见的手，推动导线里的电荷移动，于是机械运动就被转化成了电能。对于光伏电池和燃料电池来说，光伏电池在光照作用下，会使内部的正、负电荷分离，从而在两端形成电压；燃料电池则通过燃料与氧化剂发生化学反应，使电子定向转移，从而产生电压。

  当然，不管是任何类型的发电方式，都离不开材料中“载流子”(能够在材料中移动并传递电荷的微小粒子)的定向运动。对于常见的金属和半导体来说，载流子的类型大多是电子。通俗的来说，发电就是让载流子有秩序地跑向同一个方向。

  那么有热梯度的材料中的载流子会如何变化呢？单纯从物理直觉上来说，不存在任何外界扰动的材料中的载流子并不是静止的，而是会不停地做不规则运动，但是对于整个材料来说，这些载流子的分布是均匀的，且朝向各个方向的运动的数量大致相当，因此并不会产生电流。但如果这块材料的一端温度要高于另外一端，温度更高的这一端的载流子的能量更高、运动更活跃，就会打破这一平衡，并向更冷的一端发生扩散并积累。因为载流子本身是携带电荷的，所以整个材料的冷热两端就出现了电荷的不平衡分布，表现出电压。当然，这个积累过程不可能永远持续下去。随着扩散的增加，冷端也会逐渐排斥扩散来的载流子。这种趋势会逐渐和扩散达到平衡，得到一个稳定的热电电压，这就是一种热电效应。

  现在我们知道了最原始的热电是如何实现的，那么这个东西真的有应用吗？答案是有的。在19世纪20年代，德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）发现，当两种不同金属组成闭合回路，并且两个接点处在不同温度时，回路附近的磁针会发生偏转。当时他并没有意识到体系中产生了电流，但是现在我们很清楚的知道这正是热梯度产生了电动势所驱动的，这个效应被称为塞贝克效应（Seebeck Effect）。当然，从发电的角度来说我们肯定希望这个电压越大越好，而且我们也知道塞贝克效应的产生本身就是与热梯度大小是相关的。那么，塞贝克效应的大小该被如何衡量呢？

  为了衡量一个材料的热电能力（这里专指塞贝克效应），我们可以定义塞贝克系数S，即 S=−ΔVΔTS=-\frac{\Delta V}{\Delta T}。很显然，这个系数的意义是：材料冷热两端每相差一度，可以产生多大的电压。如果是两种材料的话，实际测到的电压大致与两种材料塞贝克系数之差有关，即 V∝(SA−SB)ΔTV \propto (S_A-S_B)\Delta T。

图1[3] A，电势差可以转化为热梯度，也就是塞贝克效应的逆效应，被称为珀耳帖效应（Peltier effect）；B，塞贝克效应示意图；C，基于塞贝克效应的发电模块.
图1[3] A，电势差可以转化为热梯度，也就是塞贝克效应的逆效应，被称为珀耳帖效应（Peltier effect）；B，塞贝克效应示意图；C，基于塞贝克效应的发电模块.

  说到塞贝克效应的应用，那它当然能发电嘛。把许多热电材料单元串联起来，就可以做成一个温差发电器。只要材料的一面热、另一面冷，就能持续输出电能。

  和传统发电方式相比，温差发电器不需要汽轮机、没有转轴、没有复杂的机械运动，在工作时安静、稳定、耐用。它的缺点也很明显：热电转换效率通常不高，往往只有 5% 左右，而且必须维持稳定的温差。因此，温差发电器目前更适合回收那些原本就会被浪费掉的热量，比如发动机尾气、锅炉外壁或者电子设备产生的余热。

  对于远离太阳的深空探测器来说，温差发电也是一种重要而稳定的能源来源。旅行者号、新视野号以及部分火星车等航天器通常会搭载同位素热电发电机，它利用放射性同位素衰变时持续放出的热量，在装置两端形成温差，再由热电材料将这部分热能转化为电能，因此能够在恶劣环境中连续工作很多年。

  塞贝克效应也可以做温度计，即热电偶测温。热电偶通常由两种不同金属组成，只要两个接点处在不同温度，就会产生一个很小的电压，可以被精密仪器测出来，我们就能反过来通过电压来计算温度。比如常见的K型热电偶，温度每变化1 K，电压大约变化4.1*10-6 V。这个数值听起来很小，但这个大小的电压完全可以被探测，并且这种温度计同时具有结构简单、耐高温、响应快等优点，被广泛用于工业炉、发动机、锅炉、化工设备和实验室测温。

  总的来说，塞贝克效应效应的应用远远比想象中的要广。聪明的读者朋友们有没有想过，我们现在介绍的热电效应有个特点：电压和热梯度的方向是平行的。那么是否会存在其他方向上的电压呢？答案是有的。我们下一次再讲热梯度是怎么让它垂直的方向产生电压的。

参考文献

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