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最新22 材料的热电性质汇总

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半导体物理第十一章半导体的热电性质part

半导体物理第十一章半导体的热电性质part

开耳芬关系式
ab
Tdab dT
abT
dab bT aT
dT
T
4.半导体的温差电动势率
❖ 一种载流子 p型半导体 n型半导体
p
k0 q
(3 2
p)
n
k0 q
(3 2
n)
p
EFEV k0T
p In
NV
n
ECEF k0T
In n NC
两种载流子 两种材料
s
pp nn
ab 半-金
5.半导体的热导率
载流子的贡献
e p
(11-62)
11.5.1 载流子对热导率的贡献
❖ 当半导体具有温度梯度而载流子由高温端向 低温端运动的过程中便将热能从高温端传向 了低温端，形成热传导。
2 cm n n *T
1 2m n *2gE22 1 2m n *22 (2)2
E 2
EEch2k2 2mn *1 2mn *2
对于长声学波散射，γ=-1/2，则
以一维情况为例在晶体中设想一个很小的面积dsdtdx为沿x方向的温度梯度则dtdsdtdx称为晶体的热导率wmk以e代表载流子对热传导的贡献p代表声子对热传导率的贡献则半导体的热导率可以写成金属导体的热传导主要通过电子的运动而绝缘体的热传导主要依靠格波的传播即声子的运动
第11章 半导体的热电性质
1 2 3 4 5 66
半导体的热电性质
热电效应的一般描述 温差电动势率 珀尔帖效应 汤姆孙效应 半导体的热导率
半导体热电效应的应用
11.3 半导体的珀尔帖效应
当两种不同的半导 体或者半导体与金属 接触通以电流时，接 触面处除产生焦耳热 以外，还要吸热或者 放热，称为珀尔帖效 应，而且这个效应是 可逆的。

第五部分-(第十二章)材料的压电性能

第五部分-(第十二章)材料的压电性能

五 热释电性与铁电性
1 自发极化的微观机制 （a）极性轴导致的自发极化 （b）热运动引起的自发极化
（a）极性轴导致的自发极化
+
-
+
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
极 化 轴
C
+++++
-
-
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
正
电+
荷- -
-
与
固
负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
[ ]dij d21
d 22
d 23
d 24
d 25d 26来自000 d24 0 0
d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0
0 0 0 0 d24 0
0
0
0 d24 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
BaTiO3陶瓷
二、 压电振子的谐振特性
U mm Uee
各个能量的含义：U mm
1 2
SiEj TiTj
U ee
1 2
T mn
Em
En；U
me
1 2
d mj
EiT j
工程技术上的含义
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能 的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量

材料物理性能复习重点

材料物理性能复习重点

1.热容：热容是使材料温度升高1K所需的热量。

公式为C=ΔQ/ΔT=dQ/dT (J/K)；它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，与材料的质量、组成、过程、温度有关。

在加热过程中过程不同分为定容热容和定压热容。

2.比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K所需的热量称为比热容每个物质中有两种比热容，其中c p＞c v，c v不能直接测得。

3.摩尔热容：1mol的物质在没有相变或化学反应条件下升高1K所需的能量称为摩尔热容，用Cm表示，单位为J/(mol·K)4.热容的微观物理本质：材料的各种性能（包括热容）的物理本质均与晶格热振动有关。

5.热容的实验规律：1.对于金属:2.对于无机材料（了解）1.符合德拜热容理论，但是德拜温度不同，它取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。

2.对于绝大多数氧化物，碳化物，摩尔热容都是从低温时一个最低值增到到1273K左右近似于3R，温度进一步升高，摩尔热容基本没有任何变化。

3.相变时会发生摩尔热容的突变4.固体材料单位体积热容与气孔率有关，多孔材料质量越小，热容越小。

因此提高轻质隔热砖的温度所需要的热量远低于致密度的耐火砖所需的热量。

6.经典理论传统理论不能解决低温下Cv的变化，低温下热容随温度的下降而降低而下降，当温度接近0K时热容趋向于07.量子理论1.爱因斯坦模型三个假设：1.谐振子能量量子化2.每个原子是一个独立的谐振子3.所有原子都以相同的频率振动。

爱因斯坦温度：爱因斯坦模型在T >> θE 时，Cv，m=3R,与实验相符合，在低温下，T当T << θE时Cv，m比实验更快趋于0，在T趋于0时，Cv,m也趋于零。

爱因斯坦模型不足之处在于：爱因斯坦模型假定原子振动不相关，且以相同频率振动，而实际晶体中，各原子的振动不是彼此独立地以同样的频率振动，而是原子间有耦合作用，点阵波的频率也有差异。

温度低尤为明显2.德拜模型德拜在爱因斯坦的基础上，考虑了晶体间的相互作用力，原子间的作用力遵从胡克定律，固体热容应是原子的各种频率振动贡献的总和。

块体热电材料的界面性质——对于胶体与界面科学当前观点的综述..

块体热电材料的界面性质——对于胶体与界面科学当前观点的综述..

块体热电材料的界面性质——对于胶体与界面科学当前观点的综述摘要：我们在块体热电材料界面理解的基础上回顾了当前这方面的进展。

随后我们简单的讨论了界面能够增强电子和热传导性能的机制，并且专注于新兴的方法来设计块体热电材料的纳米级晶粒和界面结构。

我们重点强调(i)晶体纹理的控制，(ii)降低晶粒尺寸到纳米尺度，和 (iii)纳米复合材料结构的形成。

虽然这些方法都开始产生可观的性能改进，但是进一步的发展需要对热电界面的成型、稳定性和性能有本质上的理解。

关键词:热电材料、界面、晶界、晶体质感、纳米结构目录：1.简介2. 提高热电输运性质的界面机制3. 块体热电材料中的界面控制3.1.晶体质感的控制3.2.晶粒尺寸减小3.2.1. 随机纳米晶材料的热导率降低3.2.2.孪晶和域边界3.2.3.提高电子性能3.3.界面纳米涂层3.4.嵌入式的纳米夹杂3.5.层状/多层结构4. 总结1.简介：热电材料在热能转换成电能和固态冷却方面都有很多应用[1-2]。

虽然热电装置由于其高可靠性、移动部件的需要和能够缩放到小尺寸的能力在特殊领域的应用使得其在当前发展技术中有关键性的优势，但是这些装置的能量转换效率仍然普遍较差。

如果想要将热电材料在更广泛的领域上应用尤其在影响全球能量方面，那么这些材料和装置的效率需要显著改善。

对热电材料界面性质的控制可以在应对这一挑战中发挥关键作用。

在一般情况下，材料转换效率的提高需要增大Seebeck 系数α，平衡低电阻率ρ和低热导率κ之间的关系。

界面间相互影响这些属性，并且对于典型纳米材料的高密度可以产生很大的影响。

对于材料能量转换效率特别有用的公式是热电公式：ρκαT zT 2= 过去十年的结果显示，我们是能够在纳米级系统中提高zT 值，通过使用界面处的声子散射来降低热导率和量子限域还有载流子散射效应来以提高功率因子α 2 /ρ的值。

热电性能方面的改善已经在外延、多层的薄膜的几何形状和个别纳米结构（如纳米线）中有了应用。

培训_第三章材料的电学性能

培训_第三章材料的电学性能

离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格
点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格 实散际射金。属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态
点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子
波造成散射而形成电阻。 而对于一个纯的理想的完整晶体，0K时，电子波
的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导
致所谓的超导现象。
为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使 半导体具有一些导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能 跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所 以绝缘体几乎没有导电能力。
三、影响金属导电性的因素
晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因，而电阻来
源于晶体对自由运动电子的散射，因此电阻具有 组织结构敏感性，温度、形变（应力）、合金
18
同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子 是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它 认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的， 而是呈周期性变化的，能带理论就是研究金属 中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题
的电。子在周期势场中运动，随着位置的变化， 它的能量也呈周期变化，即接近正离子时势能 降低，离开时势能增高。这样价电子在金属中 的运动就不能看成是完全自由的。
原因：由于高压作用，导致原子间距发生变化（变小），使
金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化，从而影 响导电性。
能带结构和导电机理：由于周期场的影响，使得价电子在
金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，
有些能态是电子不能取值的。 由右图可以看到：
禁带宽窄取决于周期 势场的变化幅度，变 化越大，则禁带越宽。
当 线规-K律1<连K 续<K变1时化，；曲线按抛物 当增K=K1时，只要波数稍微

第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

v eEl / vme
j nev ne(eEl / vme ) (ne2l / vme )E
E
其中，电导率为： ne2l / vme = ne2t me
从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形 式，而且得到了电导率的表达式。
从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成 正比，与电子的平均自由程成正比。
22
❖ 容易想象温度越高，x2越大振幅愈大，振动愈激烈，因而对 周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与x2 成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即电阻R与绝对温度T 成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的 困难。
一、电阻和导电的基本概念 ❖ 电阻率
❖ 电导率
电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它 们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征 材料导电性的尺度。
根据材料导电性能好坏，可把材料分为：
❖ 导体 : ρ＜10-5Ω•m
❖ 半导体 : 10-3Ω•m ＜ ρ＜ 109Ω•m
❖ 绝缘体 : ρ＞ 109Ω•m ❖ 不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求 尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括：导电性能、超导电性、介电性、铁 电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料 电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法 以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
第三章 材料的电学性能
在许多情况下，材料的导电性能比材料的力学性能还要重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和 绝缘材料都是以材料的导电性能为基础。

耐火材料的组成和性质


2024/10/13
材料科学与工程学院
6
３、添加成分
在耐火制品生产中，为了促进其高温变化 和降低烧结温度，有时加入少量的添加成分。 添加成分按其目的和作用的不同分为：矿化剂、 稳定剂和烧结助剂。除可烧掉成分外，它们都 包含在制品的化学成分中。
(1) 矿化剂：促进某相转变而加入的成分。
如：在硅砖生产中，加入的铁鳞、石灰乳作 为矿化剂使高温α-方石英转变成α-鳞石英。
如：石墨（单质C，鳞片状结构）、刚玉（简 单化合物Al2O３、三方晶系，呈桶状，短柱状）
目前还存在“人造矿物”如：人造金刚石， 水泥熟料中的A矿（C3S）、B矿（C2S）等。
2024/10/13
材料科学与工程学院
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2．矿物的同质多象现象
同种化学成分的物质在不同的外界条件下， 可生成结构不同，形态和物理性质方面均有差异 的矿物，这种现象称为同质多象现象（变体）。
2024/10/13
材料科学与工程学院
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MgO SiO2 CaO (wt%) A 24.83 39.09 36.08
B 11.70 37.00 51.30
C 11.54 36.29 52.17
MgO
A
B
C
耐火材料中陶瓷结合示意图
2024/10/13
材料科学与工程学院
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b、直接结合:指耐火制品中，高熔点的主晶相之 间或主晶相与次晶相间直接接触产生结晶网络的 一种结合，而不是靠低熔点的硅酸盐相产生结合。
如:镁铬砖中的主晶相是方镁石； 镁铝砖中的主晶相是方镁石等。
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主晶相
次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共 存的第二晶相。次晶相也是熔点较高的晶体，它 的存在可以提高耐火制品中固相间的直接结合， 同时可以改善制品的某些特定的性能。

《材料的热电性质》课件

电导率（Electrical Conductivity）是衡量材料导电 性能的参数，表示材料中自由电荷的流动能力。
热导率和电导率对热电材料的性能也有重要影响， 良好的导热和导电性能有助于提高热电转换效率。
ZT值
02
01
03
ZT值（ZT Value）是衡量热电材料综合性能的参数， 由塞贝克系数、电导率和热导率共同决定。
热电效应的应用
热电材料可以用于温差发电、温度传感器、红外探 测器等领域。
热电效应的应用
80%
温差发电
利用塞贝克效应，可以将热能转 换为电能，用于太阳能发电、地 热发电等领域。
100%
温度传感器
利用皮尔兹效应，可以制作高灵 敏度的温度传感器，用于测量温 度、监控工业生产过程等。
80%
红外探测器
利用热电材料可以制作红外探测 器，用于军事侦察、环境监测等 领域。
详细描述
热电效应的微观解释可以从能带结构的角度来理解。当温度 梯度存在时，能带结构发生变化，导致电子和空穴的迁移率 不同，从而产生电动势或热量。此外，热激发引起的电子和 空穴的迁移也是热电效应的重要机制。
03
热电材料的种类与特性
金属类热电材料
总结词
具有较高的热电性能，常用于制造高 效热电转换装置。
皮尔兹系数的值越大，表示材料在热电转换过程中能够吸收或释放的热量越多，制冷或制热效果越明显 。
皮尔兹系数的测量方法是在热电材料两端施加电流，测量由此产生的温差，从而计算出皮尔兹系数。
热导率与电导率
热导率（Thermal Conductivity）是衡量材料导热 性能的参数，表示材料在单位时间内通过单位面积 的热量。
电子冷却
通过将电子器件产生的热量转换为电能并 排放到外界，可以实现电子器件的冷却， 提高其稳定性和寿命。

半导体物理知识点总结汇总

m
*概括了半导体内部的势场作用。有效质量与能量函数对于k的二次
E（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微
、半导体中电子的准动量*
mv＝hk。
、满带中的电子不导电：电子可以在晶体中作共有化运动，但是，这些电子能否导电，还
、空穴的概念：在牛顿第二定律中要求有效质量为正值，但价带顶电子的有效质量为负值。
v（k）运动时所产生的电流。因此，通常把价带中空着的状态看成是带正电
称为空穴。引进这样一个假象的粒子――空穴后，便可以很简便地描述价带（未
、 回旋共振原理及条件。
、 对E（k）表达式和回旋共振实验有效质量表达式的处理。在k空间合理的选取坐标系，
E为能量零点，以sk0为坐标原点，取1k、2k、3k为三个
1dkdE，注意v可以是正值，也可以是负值，这
、 引入电子有效质量后，半导体中电子所受的外力与加速度的关系具有牛顿第二定律的形
a＝f/*
m。可见是以有效质量*nm代换了电子惯性质量0m。 、 有效质Βιβλιοθήκη 的意义：在经典牛顿第二定律中a=f/m
,式中f是外合力，
m是惯性质量。但
m
*，而不
m。这是因为外力f并不是电子受力的总和，半导体中的电子即使
、 回旋共振实验：目的是测量电子的有效质量，以便采用理论与实验相结合的方法推出半
T。等能面的形
、 横向有效质量沿椭球短轴方向，纵向有效质量沿椭球长轴方向。
、直接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应同一波矢；间接带隙半导体是指导带
——本章要求熟练掌握基本的物理原理和概念——
、以上基本概念和名词术语的解释。
核心知识单元A：半导体电子状态与能
半导体中的电子状态（第1章）

第6章 材料的热学性质

• 晶格振动是在弹性范围内原子的不断交替聚拢和分离，这 种运动具有波的形式, 称之为晶格波； • 晶格振动的能量是量子化的，与电磁波的光子类似, 点阵波 的能量量子称为声子； • 晶体热振动就是热激发声子； • 根据原子热振动的特点, 从理论上阐明了热容的物理本质, 并建立了热容随温度变化的定量关系, 其发展过程是从经典 热容理论—杜隆-珀替(Dulong-Petit ) 定律经爱因斯坦量子 热容理论到较为完善的德拜量子热容理论, 以及其后对德拜 热容理论的完善发展。
• 对于大多数固体材料：
德拜模型理论与实验比较（圆点为实验值）
16
1.材料热容
德拜量子热容理论结果的讨论：
1. 当温度T >> QD 时，上式近似为CV 3NkB，与经典理论的结 果一致； 2. 在非常低的温度下，只有长波的激发是主要的，对于长波晶 格是可以看作连续介质的。因此德拜理论在温度越低的条件 下，符合越好； 3. 当温度T << QD 时，德拜公式可写为：
变 的石 热英 容向 变 化石 英 转
ab-Βιβλιοθήκη 311.材料热容CuCl2磁性转变对热容的影响 铁加热时热容的影响
二级相变，如磁性转变、部分有序－无序转变、超导转变等， 热容在转变温度附近发生剧烈变化，但为有限值。
32
2.材料热膨胀
2.1热膨胀现象的起源
• 固体材料热膨胀本征上归结于晶体结构中质 点间平均距离随温度升高而增大，其原因是 原子的非简谐振动。 • 相邻质点间的作用力是非线性的。 1. r< r0：合力曲线斜率较大，合力随位移增 大很快； 2. r> r0：斜率较小，合力随位移增大要慢一 些； 温度越高，质点振幅越大，在r0处不对称情况 越显著，平衡位置向右移动越多，引起热膨胀。
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e
V12
V12
e
B处： 通电后，接触电势差V12将加速电子的运动，电子动能增加， 加速的电子与金属离子碰撞，把获得的动能交给金属原子， 金属离子能量增加，从而B处温度增加，变热，须放热。
材料的热电性能
帕尔帖效应的应用——制冷
热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势。 纯金属材料的导电性好，导热性也好。用两种金属 材料组成回路，其热电势小，热电效应很弱，制冷 效果不明显(制冷效率不到1%)。
➢不同材料具有不同的αβ ➢同种材料温差变化，热电势变化
材料的热电性能
塞贝克效应的应用——用于温度测量的热电偶
材料的热电性能
常用热电偶材料
材料
铂铹10 铱铹10 铱铹40 镍铁
纯铂 纯铱 铂铹40 镍铜
镍铬
康铜
镍铬
镍硅
铜
康铜
镍铬
金铁
铜
金铁
测温范围
特点
0 ~ 1000 ℃ 0 ~ 2100 ℃ 0 ~ 1900 ℃ 50 ~ 500 ℃ -200 ~ 900 ℃ -50 ~ 1300 ℃ -200 ~ 400 ℃ -270 ~ 10 ℃
T2
V(T1,T2)
材料的热电性能
外加电流与V(T1,T2)反向 电子从T1 T2被V(T1,T2)减速 在与金属离子碰撞中获得来自金 属离子的能量，使整个金属能量 降低，吸收热量。
T1
++ ++ ++ I ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
材料的热电性能
三 塞贝克效应
1 定义：
把两种不同的金属导体1，2组成闭合回路，两接点分别置 于T1和T2（设T1＞T2）两不同温度时，则在回路中就会产 生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝克效应。
材料的热电性能
22 材料的热电性质
材料的热电性能
一 帕耳帖效应
1 定义：
将铜、铋两根金属丝的端点互相连接（A,B处）成为一闭合回 路。将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后发 现A接头变冷，吸热效应；B接头变热，发生了放热效应，
这个现象称为帕尔帖效应
材料的热电性能
2 分析原因：
不同的金属，电子状态不同， 铜铋接触时，电子从1→2， 1中电子减少，2中电子增多。 1电位为正，2电位为负。 这样不同金属的接触面处产生的电势称接触电势差（V12）V12(T-1) NhomakorabeaT1
T2
2 V2(T1,T2)
V12(T2)
热电势： 1 ( T 1 , 2 T 2 ) V 1 ( T 1 ) 2 V 1 ( T 2 ) 2 V 1 ( T 1 , T 2 ) V 2 ( T 1 , T 2 )
热电势与温差有关，一般表达式
1(T 2 1 ,T 2 ) a (T 1 T 2 ) 1 2(T 1 T 2 )2
称为温差电势差 V(T1,T2）
T1
++ ++ ++ ++ ++ ++
T2
V(T1,T2)
温差电势原理图
材料的热电性能
外加电流与V(T1,T2)同向 电子从T2 T1被V(T1,T2)加速 在与金属离子碰撞中传给金属离 子能量，使整个金属能量升高， 放出热量。
T1
++ ++ ++ I ++ ++ ++
准确性高，成本高
<50 ℃无电势 电势大，线性好
-270 ~ -250 ℃
灵敏度高
应用 精密测温、标准
科学研究 氧化、中性气体
火灾报警 各种场合 各种场合、常用 各种场合
低温
低温
材料的热电性能
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材料的热电性能
• 热电制冷器它不需要一定的工质循环来实现能量转换， 没有任何运动部件。热电制冷的效率低，半导体材料的 价格又很高，而且，由于必须使用直流电源，变压和整 流装置往往不可避免，从而增加了电堆以外的附加体积。 所以热电制冷不宜大规模和大冷量便用。但由于它的灵 活性强，简单方便，使用可靠，冷热切换容易，非常适 宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。例如，为 空间飞行器上的科学仪器、电子仪器、医疗器械中需要 冷却的部位提供冷源等。
1
T1
T2
2
材料的热电性能
2 分析原因：
V1(T1,T2) 1
V12(T-1)
T1
T2
V12(T2)
2
V2(T1,T2)
帕尔帖效应——两金属接触产生接触电势差
V12(T1)， V12(T2) 汤姆逊效应——存在温差的金属两端产生温差电势差
V1(T1,T2)， V1(T1,T2)
材料的热电性能
V1(T1,T2) 1
++ ++
1
V12
++ ++
↓e
++ 2
++
材料的热电性能
A处： 通电后，外加电场使电子移动形成电子电流,接触电势差V12 将阻碍电子的运动，电子动能减小，减速的电子与金属离子 碰撞，从金属原子那里获得能量，金属 离子能量减小，从而 使该处温度降低，变冷，须从外界吸热。
e
V12
V12
e
材料的热电性能
半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来 做成小型热电制冷器。
材料的热电性能
热电制冷元件
图示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用 铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路， 铜板和铜导线只起导电的作用。
回路中接通电流时，一个接点变热，一个接点变冷。如果 改变电流方向，则两个接点处的冷热作用互易，即：原来的 热接点变成冷接点，原来的冷接点变成热接点。
材料的热电性能
二 汤姆逊效应
1 定义：
当金属导线两端，温度不同，通过电流，发现，若电流方向与 热端方向一致时产生放热，反之吸热。这就是汤姆逊效应。
T1 + + ++ ++
I ++ ++
T2 + +
T1> T2
材料的热电性能
2 分析原因：
金属两端存在温差：T1 高 温 T2 低 温
高温电子动能大，低温电子动能小， 电子将从T1 扩 散T2， 并在T2处堆 积从而在金属到体内出现电势差，