Question

温差电势的详细概述

Answer 1

单一导体两端由于温度不同而在其两端产生的电势为温差电势，又称汤姆逊电势。这是因为高温端自由电子的动能大于低温端自由电子的动能，高温端自由电子扩散速率高于低温端自由电子的扩散速率，从而在导体两端形成电位差。 从经典电子论来看，汤姆孙效应可这样理解：金属中的自由电子好象气体一样，当温度不等均匀时会产生热扩散。这种热扩散作用，可等效地看成一种非静电力，它在棒内形成一定的电动势（称为汤姆孙电动势），外加电流通过金属棒时，若其方向与非静电力一致，这相当于电池放电，自由电子将不断从外界吸热，热能转化为电能。若电流方向与非静电力相反，则相当于电池充电，电能转化为热能，向外释放出来。
具有温度梯度的金属两端没有加上电源电压——电压分配电场的电性子密度梯度之前，导体内部的所有原子的核外电子都还是绕着其原子核高速地运动着，所有原子都还保持电中性，整个金属导体也都保持着电中性。
尽管导体的金属原子都保持电中性，但是，由于导体各处的温度不同，原子核外电子的运动轨道半径也不同，温度高端，轨道半径很大，电子运动于原子核阳性子密度梯度很小的空间，这些空间除了阳性子密度梯度很小之外，阳性子的密度也相当小，已经非常接近原子核外自由空间的自由阳性子的密度值，当电子在这样的环境中运动时，由于电子的阴性子密度的叠加，使空间主要呈现的暗物质电性子便是阴性子了，而且温度越高的地方，所呈现的阴性子密度将越大。
于是，在具有温度梯度的本来电中性的整个导体内部，实质已存在了从高温端指向低温端的阴性子密度梯度。这个阴性子密度梯度对于金属本身而言并不是真实的，所以，它不足于使金属本身原子的核外电子摆脱原子核的束缚而形成自由电子并发生定向移动，但是，它却足于使金属体内部的电性子发生定向移动，阴性子将从金属体高温端向着低温端扩散，阳性子也将从低温端向着高温端扩散。
温度高低不同的金属体两端将出现不同的电性子的聚集，从而使两端产生一定数值的电性子密度差即电势差，这就是汤姆逊电动势。
当同一根导体的两端温度不同时，在导体内部两端的自由电子相互扩散的速率不同，高温端的电子数跑到低温端的电子数比低温端跑到高温端的电子数要多，结果使高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，这样在高、低温端之间形成一个由高温端指向低温端的静电场。该电场阻止电子从高温端向低温端扩散，最后达到动态平衡状态，此时在导体上产生一个相应的电位差，称该电位差为温差电势。此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿导体长度上的温度分布无关。
两种不同的金属接触，如果两个触点间有一定温度差时，则产生温差电势。
根据温差电势现象，选用温差电势大的金属，可以组成热电偶用来测量温度和高频电流。
此外，温度升高，会使金属电阻增大；合金元素和杂质也会使金属电阻增大；机械加工也会使电阻增大；电流频率升高，金属产生趋肤效应，导体的交流电阻也增大。