你在海滩度过愉快的一天，准备开车回家。当你打开车门后，感到车内很热，但只要打开空调就会凉爽。然后，你坐下来却发现座椅烫，这让你在回家的路上感到很不舒服。所幸，有一种方法可以避免这种情况的发生。工程师可以使用热电设备，通过利用塞贝克和珀尔帖效应来控制汽车座椅的温度(以及其他应用)。
2 个热电学的关键概念：塞贝克和珀尔帖效应
塞贝克和珀尔帖效应于 19 世纪初被发现，描述了温差与电流之间的关系。塞贝克效应最先被观察到：1821 年，德国物理学家托马斯·约翰塞贝克发现，当他把两种不同的金属连接起来形成一个电路时，加热一个结点就会产生电。后来他了解到，只要用手握住一个结点，就会产生足够的温差并产生电流。
大约 13 年后，法国钟表匠和物理学家让·珀尔帖在进行电动力学实验时发现，电流同样会引起温度差，即珀尔帖效应。在塞贝克工作的基础上，珀尔帖发现，通过简单地改变电流的方向，他可以在两个导体的连结处实现加热或冷却，热量从一个点传递到另一个点。
通过热电效应冷却与加热设备
基于珀尔帖和塞贝克效应设计的热电设备被广泛用于冷却和加热应用，包括
通过热电冷却，通风的汽车座椅可以将冷空气传到座椅表面，同时排出热(废)空气。
热电冷却器和加热器设计中的一个重要组成部分是热电臂，其中两条臂可以形成一个热电偶，这有助于设备通过塞贝克效应进行更精确的温度控制。在这种类型的设置中，每条臂（导体）由不同的半导体材料组成，一个是 p 型，另一个是 n 型，并且这些柱被连接在一个结点上。
热电冷却器仿真。
使用COMSOL Multiphysics®软件及其附加的传热模块, 可以评估热电臂设计，观察珀尔帖效应和塞贝克效应。请注意，虽然基准模型只考虑了珀尔帖效应，但也可以模拟塞贝克效应，如热电发电机教程模型所示。
在 COMSOL®软件中对热电器件进行建模
在这个例子中，热电柱的尺寸是 1 mm × 1 mm × 6 mm。如下图所示，臂的中间部分是由碲化铋金属制成的，上面有两个 0.1 m 厚的铜电极。
热电柱的几何结构。
虽然臂的材料属性可在传热模块附带的热电材料库中找到，但该模型从实验数据中获取了碲化铋的属性（模型文档中的参考文献1），以便对结果进行验证。同样的实验数据也被用来定义铜的塞贝克系数。
对于温度设置，顶部的铜电极和侧面的表面是热绝缘的，而底部的表面则保持在稳定的 0°C。此外，底部电极设置为接地。通过顶部电极的总内向电流为 0.7 A。
评估模拟结果
第一个结果显示了由热电装置中循环的电流引起的冷却效应(即珀尔帖效应)。可以看到，一旦电流到达铋材料，臂表面温度从顶部电极开始稳步下降。这个温度场与已发表的研究的验证结果一致。
热电臂表面的温度场。
接下来，可以看到臂的等温面和热通量。如下图所示，它们与电流的方向相对应，从上到下。
热电臂的等温面。
最后，可以看到热电臂的电极电位。由于边界上的内向电流密度的设置方式，顶层电极达到的电势约为 49.1 mV。这个值与参考数据具有很好的相关性。
热电臂中的电极电位
热电臂模型的结果与文献中已发表的实验数据和模拟结果有很好的一致性，证明了 COMSOL®软件能够对热电设备进行精确建模。
后续步骤
点击下面的按钮，进入 COMSOL 案例库，尝试自己动手模拟热电臂模型。在案例库，您可以下载分步指南和 MPH 文件。
相关资源
- 使用同一模型在不同的边界条件下模拟塞贝克效应：尝试模拟热电发电机的教程模型
- 阅读这篇关于使用仿真 App 分析热电冷却器设计的博客
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