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摘要：Seebeck效应是物理学中的一个基本概念，学生却较难完全理解和掌握。结合本人的教学经验和亲身体验，本人总结出了一种有效的教学方法为学生讲解Seebeck效应这一知识点，教学效果显著提高，学生反馈效果良好。
关键词：热电材料；Seebeck效应；教学体会
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）14-0235-02
近年来，随着全球人口的增长，能源危机越来越严重，因此开发新能源已经刻不容缓。热电材料是一种利用载流子的传输，实现热能和电能之间相互转换的功能材料。采用热电材料制备的发电器件具有无噪声、无污染、无机械振动等优点，对于节能减排具有重要意义。热电材料的理论基础是Seebeck效应，这是物理学中的一个基本概念，同时也是我校为本科生开设的《新能源与芯时代》这门研讨课程中的一个重要概念。然而对于这一基本概念，学生却较难完全理解和掌握。为了提高教学效果，本人经过多次的尝试和努力，最终总结出了以下这种有效的教学方法。
一、通过视频播放和提问来引入Seebeck效应的基本概念
如何引起学生对Seebeck效应学习的兴趣，对于提高教学效果至关重要。因此，本人在介绍Seebeck效应之前，首先通过视频的播放，为学生展示热电发电材料目前在各个领域的应用，引起学生的注意，激起学生学习的兴趣。然后通过提问以下问题，如：（1）当大家在打一个重要电话的时候，手机突然没有电了，而周围并没有固定和移动电源，我们能否使用热电发电器件为手机充电？（2）能否将人体释放的热量转变成电能为低功率的电子产品充电？（3）能否在炎热的沙漠地区，使用热电发电器件为微型军用电子产品供电？等。通过上述问题的提问，进一步刺激学生对热电材料应用的思考，为引入Seebeck效应奠定基础。
二、通過示意图讲解Seebeck效应的原理
Seebeck效应是由德国科学家赛贝克（Seebeck）于1821年发现的，因此被命名为Seebeck效应[1]。其原理如下[2，3]：将两种半导体材料连接在一起，如果接头处的温度不同（一端置于热源上，温度为T1；另一端置于冷源上，温度为T2，且T1=T2 △T），那么在开路位置就会产生开路电压（△V），且△V可以按照公式1进行计算：
△V=Sab（T1-T2）=△TSab （公式1）
其中：Sab为材料a和b的Seebeck系数，Sab可以由公式2进行计算。
Sab=■■（公式2）
从公式1和2可以看出，△V和△T、Sab成正比。不同材料的Seebeck系数是不同的，一般来说，无机半导体材料，如：Bi-Te基合金、Pb-Te基合金、具有较高的Seebeck系数；导电高分子如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）等去掺杂时一般也具有较高的Seebeck系数；碳材料如：碳纳米管、石墨烯、炭黑等Seebeck系数较低。其实Seebeck系数的大小并不能完全决定材料的热电性能，因为材料的热电性能是由无量纲热电优值ZT来决定的，ZT的计算见公式3：
ZT=■（公式3）
式中，S、σ、T和κ分别为Seebeck系数、电导率、热力学温度和热导率。
三、通过示意图结合动画讲解Seebeck效应的物理机制
在上述Seebeck效应基本概念的基础上，通过示意图结合动画演示的方式为学生进一步讲解Seebeck效应的物理机制（具体示意图和动画见参考文献[4]）。对于P型半导体材料来说，当材料中没有温度梯度时，材料中的载流子（空穴）是均匀分布的，但是当材料中一旦存在温度梯度时，材料中热端的空穴就会向冷端进行扩散，扩散的结果就会导致热端的空穴越来越少，而冷端的空穴越来越多，当达到平衡后，热端和冷端之间形成了电势差。N型半导体材料与P型半导体材料类似，当N型半导体材料中存在温度梯度时，材料中热端的电子就会从向冷端扩散，当达到平衡后，热端和冷端之间同样会形成电势差[4]。一个P型或者N型单元所产生的输出电压是有限的，往往难以满足电子设备的要求，因此为了提高器件的输出电压，工业上通常将很多对P型和N型材料串联起来，以达到使用效果（如图2）。
四、通过问题讨论进一步加深理解和应用拓展
通过上述介绍，学生已经基本理解和掌握了Seebeck效应这一知识点，为了进一步引发学生关于此内容的理解和应用拓展，最后请学生简单的讨论如如何提高器件的输出电流？通过这一问题的讨论，引发学生对于Seebeck效应具体应用的思考。同时通过讨论使学生理解提高器件的输出电流的一个解决方案就是将多个P型和N型单元交替、规律的并联起来
五、结语
目前热电发电材料和器件已经应用到各个领域，如军事、航空、航天、医疗、日常生活等。Seebeck效应则是热电发电材料和器件的理论基础，因此对于Seebeck效应的理解和掌握对于《新能源与芯时代》课程的学习以及学生以后从事热电发电材料和器件的研究工作以及至关重要。本人采用上述教学方法使得教学效果大幅度提高，当然本人将继续摸索、思考、和总结，期望《新能源与芯时代》课程的每一个章节均能取得优异的教学效果。
参考文献：
[1]戴岩伟，戴晓明.温差电效应及其应用，现代物理知识，2008，1（20），20-21.
[2]周东一，王红梅.基于温差电技术的热电材料研究进展，化工新型材料，2015，9（43），13-16.
[3]张腾，张征，温差发电技术及其一些应用，能源技术，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
关键词：热电材料；Seebeck效应；教学体会
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）14-0235-02
近年来，随着全球人口的增长，能源危机越来越严重，因此开发新能源已经刻不容缓。热电材料是一种利用载流子的传输，实现热能和电能之间相互转换的功能材料。采用热电材料制备的发电器件具有无噪声、无污染、无机械振动等优点，对于节能减排具有重要意义。热电材料的理论基础是Seebeck效应，这是物理学中的一个基本概念，同时也是我校为本科生开设的《新能源与芯时代》这门研讨课程中的一个重要概念。然而对于这一基本概念，学生却较难完全理解和掌握。为了提高教学效果，本人经过多次的尝试和努力，最终总结出了以下这种有效的教学方法。
一、通过视频播放和提问来引入Seebeck效应的基本概念
如何引起学生对Seebeck效应学习的兴趣，对于提高教学效果至关重要。因此，本人在介绍Seebeck效应之前，首先通过视频的播放，为学生展示热电发电材料目前在各个领域的应用，引起学生的注意，激起学生学习的兴趣。然后通过提问以下问题，如：（1）当大家在打一个重要电话的时候，手机突然没有电了，而周围并没有固定和移动电源，我们能否使用热电发电器件为手机充电？（2）能否将人体释放的热量转变成电能为低功率的电子产品充电？（3）能否在炎热的沙漠地区，使用热电发电器件为微型军用电子产品供电？等。通过上述问题的提问，进一步刺激学生对热电材料应用的思考，为引入Seebeck效应奠定基础。
二、通過示意图讲解Seebeck效应的原理
Seebeck效应是由德国科学家赛贝克（Seebeck）于1821年发现的，因此被命名为Seebeck效应[1]。其原理如下[2，3]：将两种半导体材料连接在一起，如果接头处的温度不同（一端置于热源上，温度为T1；另一端置于冷源上，温度为T2，且T1=T2 △T），那么在开路位置就会产生开路电压（△V），且△V可以按照公式1进行计算：
△V=Sab（T1-T2）=△TSab （公式1）
其中：Sab为材料a和b的Seebeck系数，Sab可以由公式2进行计算。
Sab=■■（公式2）
从公式1和2可以看出，△V和△T、Sab成正比。不同材料的Seebeck系数是不同的，一般来说，无机半导体材料，如：Bi-Te基合金、Pb-Te基合金、具有较高的Seebeck系数；导电高分子如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）等去掺杂时一般也具有较高的Seebeck系数；碳材料如：碳纳米管、石墨烯、炭黑等Seebeck系数较低。其实Seebeck系数的大小并不能完全决定材料的热电性能，因为材料的热电性能是由无量纲热电优值ZT来决定的，ZT的计算见公式3：
ZT=■（公式3）
式中，S、σ、T和κ分别为Seebeck系数、电导率、热力学温度和热导率。
三、通过示意图结合动画讲解Seebeck效应的物理机制
在上述Seebeck效应基本概念的基础上，通过示意图结合动画演示的方式为学生进一步讲解Seebeck效应的物理机制（具体示意图和动画见参考文献[4]）。对于P型半导体材料来说，当材料中没有温度梯度时，材料中的载流子（空穴）是均匀分布的，但是当材料中一旦存在温度梯度时，材料中热端的空穴就会向冷端进行扩散，扩散的结果就会导致热端的空穴越来越少，而冷端的空穴越来越多，当达到平衡后，热端和冷端之间形成了电势差。N型半导体材料与P型半导体材料类似，当N型半导体材料中存在温度梯度时，材料中热端的电子就会从向冷端扩散，当达到平衡后，热端和冷端之间同样会形成电势差[4]。一个P型或者N型单元所产生的输出电压是有限的，往往难以满足电子设备的要求，因此为了提高器件的输出电压，工业上通常将很多对P型和N型材料串联起来，以达到使用效果（如图2）。
四、通过问题讨论进一步加深理解和应用拓展
通过上述介绍，学生已经基本理解和掌握了Seebeck效应这一知识点，为了进一步引发学生关于此内容的理解和应用拓展，最后请学生简单的讨论如如何提高器件的输出电流？通过这一问题的讨论，引发学生对于Seebeck效应具体应用的思考。同时通过讨论使学生理解提高器件的输出电流的一个解决方案就是将多个P型和N型单元交替、规律的并联起来
五、结语
目前热电发电材料和器件已经应用到各个领域，如军事、航空、航天、医疗、日常生活等。Seebeck效应则是热电发电材料和器件的理论基础，因此对于Seebeck效应的理解和掌握对于《新能源与芯时代》课程的学习以及学生以后从事热电发电材料和器件的研究工作以及至关重要。本人采用上述教学方法使得教学效果大幅度提高，当然本人将继续摸索、思考、和总结，期望《新能源与芯时代》课程的每一个章节均能取得优异的教学效果。
参考文献：
[1]戴岩伟，戴晓明.温差电效应及其应用，现代物理知识，2008，1（20），20-21.
[2]周东一，王红梅.基于温差电技术的热电材料研究进展，化工新型材料，2015，9（43），13-16.
[3]张腾，张征，温差发电技术及其一些应用，能源技术，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