Seebeck效應的教學體會

杜永

摘要：Seebeck效應是物理學中的一個基本概念，學生卻較難完全理解和掌握。結合本人的教學經驗和親身體驗，本人總結出了一種有效的教學方法為學生講解Seebeck效應這一知識點，教學效果顯著提高，學生反饋效果良好。

關鍵詞：熱電材料；Seebeck效應；教學體會

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）14-0235-02

近年來，隨著全球人口的增長，能源危機越來越嚴重，因此開發新能源已經刻不容緩。熱電材料是一種利用載流子的傳輸，實現熱能和電能之間相互轉換的功能材料。采用熱電材料制備的發電器件具有無噪聲、無污染、無機械振動等優點，對于節能減排具有重要意義。熱電材料的理論基礎是Seebeck效應，這是物理學中的一個基本概念，同時也是我校為本科生開設的《新能源與芯時代》這門研討課程中的一個重要概念。然而對于這一基本概念，學生卻較難完全理解和掌握。為了提高教學效果，本人經過多次的嘗試和努力，最終總結出了以下這種有效的教學方法。

一、通過視頻播放和提問來引入Seebeck效應的基本概念

如何引起學生對Seebeck效應學習的興趣，對于提高教學效果至關重要。因此，本人在介紹Seebeck效應之前，首先通過視頻的播放，為學生展示熱電發電材料目前在各個領域的應用，引起學生的注意，激起學生學習的興趣。然后通過提問以下問題，如：（1）當大家在打一個重要電話的時候，手機突然沒有電了，而周圍并沒有固定和移動電源，我們能否使用熱電發電器件為手機充電？（2）能否將人體釋放的熱量轉變成電能為低功率的電子產品充電？（3）能否在炎熱的沙漠地區，使用熱電發電器件為微型軍用電子產品供電？等。通過上述問題的提問，進一步刺激學生對熱電材料應用的思考，為引入Seebeck效應奠定基礎。

二、通過示意圖講解Seebeck效應的原理

Seebeck效應是由德國科學家賽貝克（Seebeck）于1821年發現的，因此被命名為Seebeck效應[1]。其原理如下[2，3]：將兩種半導體材料連接在一起，如果接頭處的溫度不同（一端置于熱源上，溫度為T1；另一端置于冷源上，溫度為T2，且T1=T2+△T），那么在開路位置就會產生開路電壓（△V），且△V可以按照公式1進行計算：

△V=Sab（T1-T2）=△TSab （公式1）

其中：Sab為材料a和b的Seebeck系數，Sab可以由公式2進行計算。

Sab=■■（公式2）

從公式1和2可以看出，△V和△T、Sab成正比。不同材料的Seebeck系數是不同的，一般來說，無機半導體材料，如：Bi-Te基合金、Pb-Te基合金、具有較高的Seebeck系數；導電高分子如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）等去摻雜時一般也具有較高的Seebeck系數；碳材料如：碳納米管、石墨烯、炭黑等Seebeck系數較低。其實Seebeck系數的大小并不能完全決定材料的熱電性能，因為材料的熱電性能是由無量綱熱電優值ZT來決定的，ZT的計算見公式3：

ZT=■（公式3）

式中，S、σ、T和κ分別為Seebeck系數、電導率、熱力學溫度和熱導率。

三、通過示意圖結合動畫講解Seebeck效應的物理機制

在上述Seebeck效應基本概念的基礎上，通過示意圖結合動畫演示的方式為學生進一步講解Seebeck效應的物理機制（具體示意圖和動畫見參考文獻[4]）。對于P型半導體材料來說，當材料中沒有溫度梯度時，材料中的載流子（空穴）是均勻分布的，但是當材料中一旦存在溫度梯度時，材料中熱端的空穴就會向冷端進行擴散，擴散的結果就會導致熱端的空穴越來越少，而冷端的空穴越來越多，當達到平衡后，熱端和冷端之間形成了電勢差。N型半導體材料與P型半導體材料類似，當N型半導體材料中存在溫度梯度時，材料中熱端的電子就會從向冷端擴散，當達到平衡后，熱端和冷端之間同樣會形成電勢差[4]。一個P型或者N型單元所產生的輸出電壓是有限的，往往難以滿足電子設備的要求，因此為了提高器件的輸出電壓，工業上通常將很多對P型和N型材料串聯起來，以達到使用效果（如圖2）。

四、通過問題討論進一步加深理解和應用拓展

通過上述介紹，學生已經基本理解和掌握了Seebeck效應這一知識點，為了進一步引發學生關于此內容的理解和應用拓展，最后請學生簡單的討論如如何提高器件的輸出電流？通過這一問題的討論，引發學生對于Seebeck效應具體應用的思考。同時通過討論使學生理解提高器件的輸出電流的一個解決方案就是將多個P型和N型單元交替、規律的并聯起來

五、結語

目前熱電發電材料和器件已經應用到各個領域，如軍事、航空、航天、醫療、日常生活等。Seebeck效應則是熱電發電材料和器件的理論基礎，因此對于Seebeck效應的理解和掌握對于《新能源與芯時代》課程的學習以及學生以后從事熱電發電材料和器件的研究工作以及至關重要。本人采用上述教學方法使得教學效果大幅度提高，當然本人將繼續摸索、思考、和總結，期望《新能源與芯時代》課程的每一個章節均能取得優異的教學效果。

參考文獻：

[1]戴巖偉，戴曉明.溫差電效應及其應用，現代物理知識，2008，1（20），20-21.

[2]周東一，王紅梅.基于溫差電技術的熱電材料研究進展，化工新型材料，2015，9（43），13-16.

[3]張騰，張征，溫差發電技術及其一些應用，能源技術，2009，1（30），35-39.

[4]Yong Du，Kefeng Cai，Song Chen，Hongxia Wang，Shirley Z.Shen，Richard Donelson，Tong Lin，Thermoelectric Fabrics：Toward Power Generating Clothing，Scientific Reports，2015，（5）：6411，1-6.

Abstract：Seebeck coefficient is a basic conception in physics，however，it is difficult for students to fully understand this conception. Therefore，a new teaching methodologywas adopted，combined with my teaching experience and experience. As a result，the teaching efficiency was remarkably improved.

Key words：Thermoelectric materials；Seebeck effect；teaching experiences