Seebeck效應(yīng)的教學(xué)體會

杜永

摘要：Seebeck效應(yīng)是物理學(xué)中的一個基本概念，學(xué)生卻較難完全理解和掌握。結(jié)合本人的教學(xué)經(jīng)驗和親身體驗，本人總結(jié)出了一種有效的教學(xué)方法為學(xué)生講解Seebeck效應(yīng)這一知識點，教學(xué)效果顯著提高，學(xué)生反饋效果良好。

關(guān)鍵詞：熱電材料；Seebeck效應(yīng)；教學(xué)體會

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)越來越嚴(yán)重，因此開發(fā)新能源已經(jīng)刻不容緩。熱電材料是一種利用載流子的傳輸，實現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的功能材料。采用熱電材料制備的發(fā)電器件具有無噪聲、無污染、無機(jī)械振動等優(yōu)點，對于節(jié)能減排具有重要意義。熱電材料的理論基礎(chǔ)是Seebeck效應(yīng)，這是物理學(xué)中的一個基本概念，同時也是我校為本科生開設(shè)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(xué)生卻較難完全理解和掌握。為了提高教學(xué)效果，本人經(jīng)過多次的嘗試和努力，最終總結(jié)出了以下這種有效的教學(xué)方法。

一、通過視頻播放和提問來引入Seebeck效應(yīng)的基本概念

如何引起學(xué)生對Seebeck效應(yīng)學(xué)習(xí)的興趣，對于提高教學(xué)效果至關(guān)重要。因此，本人在介紹Seebeck效應(yīng)之前，首先通過視頻的播放，為學(xué)生展示熱電發(fā)電材料目前在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，引起學(xué)生的注意，激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。然后通過提問以下問題，如：（1）當(dāng)大家在打一個重要電話的時候，手機(jī)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(fā)電器件為手機(jī)充電？（2）能否將人體釋放的熱量轉(zhuǎn)變成電能為低功率的電子產(chǎn)品充電？（3）能否在炎熱的沙漠地區(qū)，使用熱電發(fā)電器件為微型軍用電子產(chǎn)品供電？等。通過上述問題的提問，進(jìn)一步刺激學(xué)生對熱電材料應(yīng)用的思考，為引入Seebeck效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

二、通過示意圖講解Seebeck效應(yīng)的原理

Seebeck效應(yīng)是由德國科學(xué)家賽貝克（Seebeck）于1821年發(fā)現(xiàn)的，因此被命名為Seebeck效應(yīng)[1]。其原理如下[2，3]：將兩種半導(dǎo)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(chǎn)生開路電壓（△V），且△V可以按照公式1進(jìn)行計算：

△V=Sab（T1-T2）=△TSab （公式1）

其中：Sab為材料a和b的Seebeck系數(shù)，Sab可以由公式2進(jìn)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(shù)是不同的，一般來說，無機(jī)半導(dǎo)體材料，如：Bi-Te基合金、Pb-Te基合金、具有較高的Seebeck系數(shù)；導(dǎo)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(shù)；碳材料如：碳納米管、石墨烯、炭黑等Seebeck系數(shù)較低。其實Seebeck系數(shù)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(yōu)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(shù)、電導(dǎo)率、熱力學(xué)溫度和熱導(dǎo)率。

三、通過示意圖結(jié)合動畫講解Seebeck效應(yīng)的物理機(jī)制

在上述Seebeck效應(yīng)基本概念的基礎(chǔ)上，通過示意圖結(jié)合動畫演示的方式為學(xué)生進(jìn)一步講解Seebeck效應(yīng)的物理機(jī)制（具體示意圖和動畫見參考文獻(xiàn)[4]）。對于P型半導(dǎo)體材料來說，當(dāng)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(dāng)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(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果就會導(dǎo)致熱端的空穴越來越少，而冷端的空穴越來越多，當(dāng)達(dá)到平衡后，熱端和冷端之間形成了電勢差。N型半導(dǎo)體材料與P型半導(dǎo)體材料類似，當(dāng)N型半導(dǎo)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(kuò)散，當(dāng)達(dá)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(chǎn)生的輸出電壓是有限的，往往難以滿足電子設(shè)備的要求，因此為了提高器件的輸出電壓，工業(yè)上通常將很多對P型和N型材料串聯(lián)起來，以達(dá)到使用效果（如圖2）。

四、通過問題討論進(jìn)一步加深理解和應(yīng)用拓展

通過上述介紹，學(xué)生已經(jīng)基本理解和掌握了Seebeck效應(yīng)這一知識點，為了進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生關(guān)于此內(nèi)容的理解和應(yīng)用拓展，最后請學(xué)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(fā)學(xué)生對于Seebeck效應(yīng)具體應(yīng)用的思考。同時通過討論使學(xué)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(guī)律的并聯(lián)起來

五、結(jié)語

目前熱電發(fā)電材料和器件已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如軍事、航空、航天、醫(yī)療、日常生活等。Seebeck效應(yīng)則是熱電發(fā)電材料和器件的理論基礎(chǔ)，因此對于Seebeck效應(yīng)的理解和掌握對于《新能源與芯時代》課程的學(xué)習(xí)以及學(xué)生以后從事熱電發(fā)電材料和器件的研究工作以及至關(guān)重要。本人采用上述教學(xué)方法使得教學(xué)效果大幅度提高，當(dāng)然本人將繼續(xù)摸索、思考、和總結(jié)，期望《新能源與芯時代》課程的每一個章節(jié)均能取得優(yōu)異的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴巖偉，戴曉明.溫差電效應(yīng)及其應(yīng)用，現(xiàn)代物理知識，2008，1（20），20-21.

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

[3]張騰，張征，溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用，能源技術(shù)，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