汤姆逊效应（霍尔效应）

汤姆逊效应(霍尔效应)

出品:科普中国

制作:学校科协媒体中心形象组(北京工业大学)

监制:计算机网络信息中心

当化石燃料消耗殆尽，我们能用什么留住光明？我们如何变废为宝？谁将改变明天的世界？

答案是热电材料。

什么是热电材料？

热电材料，总的来说，是一种能将热能和电能相互转化的功能材料。它可以转换热源(汽车尾气、工业余热、地热能等。)广泛存在于自然界和日常生活中但不能利用的，供给人类日常生活和工业生产所需的电能。热电装置在运行中具有体积小、重量轻、效率高、安全环保、使用寿命长、无噪音运行和免维护等优点。其独特的制冷和发电功能已广泛应用于军事、医疗、工业、民用产品、实验室、光电子、通讯等领域。

热电材料的三大效应

1.塞贝克效应:当两种不同的金属在不同的温度下连接时，电流会在这样的电路中流动。

2.珀尔帖效应:两种不同的金属形成一个闭环。当回路中有DC电流时，两个接头之间会有温差。

3.汤姆逊效应:气体在等焓环境下会自由膨胀，温度会上升或下降。

△(图片来自:https://www.zhihu.com/question/24012596/answer/38862029)

热电材料的前景

由于可以实现热能和电能的直接转换，该材料在余热回收、空制冷等行业具有广阔的前景。其中，单晶硒化锡(SnSe)因其较高的热电优值(ZT，773k时可达2.8)，成为新一代最杰出的热电材料。

可能是单晶硒化锡的机械性能较差，其苛刻的晶体生长条件也限制了其实际应用。

因此，多晶硒化锡正向我们走来。凭借整齐的台阶和掺杂的元素，成为研究的焦点。

在上一篇文章中，我们已经了解了塞贝克效应。能带工程可以有效控制载流子浓度和Zeebek系数，掺杂异质元素是实现能带工程的主要方法之一。

南昆士兰大学副教授陈志刚和昆士兰大学教授邹瑾首次通过溶剂热法获得了高功率因数、低热导率的P型硒化锡微米级带状晶体。铜的掺杂不仅会引起晶格畸变，还会增加价带密度，形成更多的空空穴。可以说“肥肠”性价比高。

石墨烯，另一种充满科技感的材料，大家并不陌生。但是它的半金属性质使得它的热电转换率并不理想。虽然各种纳米结构设计可以解决这个问题，但不合理的量产技术仍然使其具有挑战性。

热电材料的用途是什么？

不知道大家会不会很困惑，这样的新材料有什么用？或者，用在什么地方。我们都知道，根据能量守恒定律，能量不是由空产生的。比如抖腿的能量，就是通过把电歌输入耳朵获得的。当然上面那个是错的，我这里说的就是这个意思。

那么对于热电材料来说，最重要的就是温差！这是热能转化为电能的充分条件。温差存在于哪里？打泡面热水时开水溅到手上的疼痛，冬天呼出的白气，小风出门时起的鸡皮疙瘩，都是温差存在的绝佳证明。当然，这并不是优秀温差存在的证明，因为这些温差是不可得的。

冬天有暖气的时候，你有没有从外面注意到室内玻璃上的雾气？这种温差因地区而异。比如东北，内蒙古，能达到几十度，没有暖气的南方是几度，室内没有阳光就更冷了。不利用室内外温差，对不起北方同胞脱下的羽绒服，对不起南方同胞裹着的厚被子。

因此，我们的热电材料利用温差，轻松、轻松、不眨眼地将温差产生的势能转化为电能，降低了夏季室内温度，让你的电费完全免费。

换句话说，减少电能的消耗就相当于减少化石燃料的消耗，最终起到保护环境的作用。这就是为什么我称他为环境大使。你敢说不吗？哈哈。

可调节体温的热电材料手镯

我们听说过各种戴在手腕上的新型智能设备，比如智能手表、健身手环等。但是你听说过用热电材料做的手环吗？但是麻省理工有这么一款产品，让你瞬间神清气爽。这是Wristify，一种可以调节体温的新型腕戴设备。

智能手环效果图(来源:百度图片)

该项目的主要创始人、毕业于麻省理工学院材料科学与工程学院的大卫·科恩-塔努吉(David Cohen-Tanugi)表示，每当你感到太热、太冷、有压力或其他类似的感觉时，你可以通过穿着它来控制皮肤的感觉，让自己感觉更好。可穿戴式调温手环的原型产品采用手动控制，满足用户不同的调温需求。根据科恩-塔努吉的说法，“R&D团队正在添加智能模块，以便未来的产品可以实现自动温度调节。公司正在为将于9月底举行的新品预订发布会做最后的准备。”

研究人员为调温手环选择了合适的热电材料，并开发了独特的控制算法，最大限度地提高用户的冷热感受。

热电手环可以帮助人们在烈日下工作，在夏天进行其他户外活动或进入拥挤的地铁。这也有助于全球旅行者快速适应不同的气候区域。但科恩-塔努吉表示，该团队的最终使命是通过个体温度调节来降低建筑物的能耗。

据加州大学伯克利分校哈斯商学院的研究人员称，预计到本世纪末，配备空色调的房屋数量将从目前的13%上升到70%以上，并且会使能源消耗飙升。正在开发的Wristify等个人降温系统将有助于将空的设定温度控制在更节能的范围内。

目前，建筑物正在消耗不可思议的能源来加热或冷却房间空，而仅仅将冷却温度提高1C就可以节省7-15个百分点的能源。基于这种理解，EMBR实验室于2013年启动了该项目。科恩-塔努吉说，“我们希望个人可以帮助地球节约能源，同时增加他们的皮肤温度舒适度和感觉更好。”

不知道大家对热电材料有没有兴趣？

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