热电——发现、物理基础和应用

发现史

传说最早关于热电的记载是公元前314年古希腊哲学家和植物学家Theophrastus做出的。根据这些记录，Theophrastus 曾经注意到矿物电气石的晶体在加热时开始吸引灰烬和稻草碎片。很久以后，在 1707 年，德国雕刻师约翰·施密特 (Johann Schmidt) 重新发现了热释电现象。

还有另一个版本，根据这个版本，热电的发现归功于著名的古希腊哲学家和旅行家米利都的泰勒斯，根据这个版本，他在公元前 6 世纪初发现了热电。 N. E. 在前往东方国家时，泰勒斯对矿物和天文学做了笔记。

通过研究摩擦过的琥珀吸引吸管向下的能力，他能够科学地解释摩擦起电现象。柏拉图后来在蒂迈欧对话录中描述了这个故事。柏拉图之后，早在 10 世纪，波斯哲学家阿尔比鲁尼 (Al-Biruni) 在他的著作《矿物学》中描述了石榴石晶体的类似特性。

1757 年，弗朗茨·埃皮努斯 (Franz Epinus) 和约翰·威尔克 (Johann Wilke) 开始研究某些材料相互摩擦时的极化现象，晶体的热释电与其他类似电现象之间的联系将在 1757 年得到证实和发展。

127 年后，德国物理学家奥古斯特·昆特 (August Kundt) 将展示一个生动的实验，他将加热碧玺晶体，然后将其倒入装有红铅和硫磺粉末混合物的筛子中。硫会带正电，而红铅会带负电，导致红橙色的红铅在碧玺晶体的一侧着色，而另一侧覆盖着明亮的黄灰色。奥古斯特·昆德 (August Kund) 随后冷却了碧玺，晶体的“极性”发生了变化，颜色也发生了变化。观众很高兴。

该现象的本质是，当碧玺晶体的温度仅变化1度时，晶体中就会出现每厘米约400伏特的电场。请注意，与所有热释电一样，碧玺既是 压电的 （顺便说一下，并非所有的压电体都是热电体）。

物理基础

在物理上，热电现象被定义为由于温度变化而在晶体中出现电场。温度的变化可能是由直接加热、摩擦或辐射引起的。这些晶体包括在没有外部影响的情况下具有自发（自发）极化的电介质。

自发极化通常不会被注意到，因为它产生的电场被周围空气和晶体主体施加到晶体的自由电荷电场所抵消。当晶体的温度发生变化时，其自发极化的幅度也会发生变化，从而导致电场的出现，这是在自由电荷补偿发生之前观察到的。

热释电自发极化的变化不仅可以通过它们的温度变化来引发，还可以通过机械变形来引发。这就是为什么所有的热释电也是压电，但并非所有的压电都是热释电自发极化，即晶体内部负电荷和正电荷的重心不匹配，是由晶体的低自然对称性解释的。

热释电的应用

如今，热释电被用作各种用途的传感设备，如辐射接收器和探测器、温度计等的一部分。所有这些设备都利用了热释电的一个关键特性——作用在样品上的任何类型的辐射都会引起样品温度的变化及其极化的相应变化。如果在这种情况下，样品表面覆盖有导电电极，并且这些电极通过电线连接到测量电路，则电流将流过该电路。

并且如果在热释电转换器的输入端有任何类型的辐射流，这会导致热释电的温度波动（例如通过人工调制辐射强度获得周期性），则电流为在输出端获得，它也以一定的频率变化。

热释电辐射探测器的优点包括：探测辐射的频率范围无限大、灵敏度高、速度快、热稳定性好。在红外区域使用热释电接收器特别有前途。

它们实际上解决了检测低功率热能流、测量短激光脉冲的功率和形状以及高灵敏度非接触式和接触式温度测量（精度为微度）的问题。

今天，人们认真讨论了使用热释电将热能直接转换为电能的可能性：辐射能的交变流在热释电元件的外电路中产生交流电。虽然这种装置的效率低于现有的能量转换方法，但对于一些特殊应用来说，这种转换方法仍然是可以接受的。

在红外成像系统（夜视等）中使用热释电效应可视化辐射空间分布的可能性特别有前途。创造了热释电摄像机——带有热释电目标的热传输电视管。

将温暖物体的图像投射到目标上，在其上建立相应的电荷释放，由扫描电子束读取。电子束电流产生的电压控制着在屏幕上绘制物体图像的电子束的亮度。