前些天和同實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)聊天，無意間聊到了飲水機(jī)如何制冷的問題。要說也是，這東西一來價(jià)錢不算太貴，二來耗電也不算太大，不大可能是用壓縮機(jī)，那么是用什么方式讓水降溫？于是google之，赫然發(fā)現(xiàn)用的是半導(dǎo)體制冷，原理就是所謂的帕耳帖效應(yīng)。原來這東西跟業(yè)余天文用CCD的制冷是一個(gè)道理，于是連忙去翻實(shí)測(cè)天體物理的講義……

帕耳帖效應(yīng)其實(shí)是諸多熱電效應(yīng)的一種，算是Seebeck效應(yīng)（也就是溫差電效應(yīng)）的逆過程。Seebeck效應(yīng)是在兩種導(dǎo)電材料的接合處通過溫差來產(chǎn)生電壓，帕耳帖效應(yīng)就是讓施加有電壓的兩種導(dǎo)電材料產(chǎn)生溫差。具體計(jì)算也很簡(jiǎn)單，如下式所示：

其中是產(chǎn)熱率，I是電流，指兩種導(dǎo)體的帕耳帖系數(shù)，物理意義是單位電流在某種材料中攜帶的熱流數(shù)量。由于兩種材料連接處電流連續(xù)而帕耳帖系數(shù)不連續(xù)，此處就會(huì)有熱量的積累或是損失。通過改變電流的方向，就可以決定讓設(shè)備產(chǎn)熱或是制冷。

其實(shí)帕耳帖效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)不算晚，是在1834年。當(dāng)年的發(fā)現(xiàn)者John-Charles-Athanase Peltier用的是銅線與鉍線組成熱電耦，不過現(xiàn)在出于效率的考慮，一般還是選擇半導(dǎo)體材料，一端連接P型半導(dǎo)體，一端連N型，如今在小電器里用得遍地開花的應(yīng)該就是它了。通常前者的帕耳帖系數(shù)為正，后者為負(fù)，這樣就可以保證相對(duì)系數(shù)較大，增大熱流進(jìn)而是增大所產(chǎn)生的溫差。

帕耳帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者、法國(guó)自然科學(xué)愛好者Peltier（1785 - 1845）

半導(dǎo)體熱電耦示意

該效應(yīng)的物理解釋？可參考下圖，電流可以歸為電子的運(yùn)動(dòng)。在不同的導(dǎo)電材料中，電子所處能級(jí)并不相同。若從低能級(jí)運(yùn)動(dòng)至高能級(jí)，就需要將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，速度降低。微觀運(yùn)動(dòng)速度是溫度的表征，表現(xiàn)在宏觀上，就是溫度的下降。反之則是溫度升高。在下圖中，紅綠色區(qū)域分別表示不同的材料，電子在綠色部分能級(jí)較低，紅色部分能級(jí)高，因此電流從綠色流至紅色時(shí)，在接合處就是降溫區(qū)（上），由紅至綠的接合點(diǎn)則為升溫區(qū)（下）。至于Seebeck效應(yīng)與帕耳帖效應(yīng)的關(guān)系，其實(shí)就是帕耳帖系數(shù)等于Seebeck效應(yīng)中溫差與溫差電動(dòng)勢(shì)的乘積。

對(duì)于天文CCD應(yīng)用，號(hào)稱是將多個(gè)熱電耦組成熱電堆，多堆合用可以做到攝氏零下70余度。當(dāng)然這純粹是掉書袋地一說，照搬實(shí)測(cè)天體物理學(xué)講義的說法，不清楚實(shí)際情況如何，至少對(duì)于本人曾經(jīng)使用過的SBIG ST7型CCD來說，最低是降到過零下20度上下，應(yīng)付教學(xué)足矣，對(duì)于科研應(yīng)用卻有些過高。

不過對(duì)于日常用途，這帕耳帖效應(yīng)真可謂優(yōu)點(diǎn)多多，首先是環(huán)保，絕無氟利昂泄露之憂，也基本上沒有惱人的噪音。當(dāng)然還有結(jié)構(gòu)的可靠性，因?yàn)楸旧頉]有什么可移動(dòng)的部件，只是簡(jiǎn)單電路而已，制作維護(hù)也都方便。另外成本低廉也是其一大好處，電效應(yīng)飲水機(jī)要比配有壓縮機(jī)的飲水機(jī)便宜得多就是明證。不過由于該效應(yīng)效率低、制冷速度慢，并不適合追求大面積或是高速的場(chǎng)合。

話說不知道有沒有什么利用帕耳帖效應(yīng)設(shè)計(jì)的日用品問世，比如做成椅墊，用開關(guān)控制電流方向來決定是產(chǎn)熱還是制冷，冬夏使用皆宜，如此豈不妙哉？

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