核动力电池和热电效应的工作原理

这是一个核动力电池，一次能为飞行器提供上百年的动力。这是如何做到的呢？准备一根铜线和一根铁线，将它们的两端连接在一起，然后将它们的一端进行加热，另外一端放入冰冷环境中，那么在两种材料之间就会产生一个小电压。为什么会这样呢？由于使用的材料都是导体，这意味着导体内部会有一些自由电子，电子可以在电压或电位差下运动。当对自由电子加热时，自由电子的震动就变得越激烈。同样的道理，当对导体进行加热时，加热一端的导体自由电子的振动也变得很激烈，从而推动电子往右边移动，这会导致左边的电子越来越少，从而产生一个电位差。对于另外一种导体，由于金属不同，会有不同数量的自由电子，它在加热时也会产生一个电势差，在同样的加热温度下，两种不同的导体将会产生两个不同的电势差，现在我们将两根导线连接在一起。两根导线。的自由电子就会从左向右推动。假如上面的导体推动的电子为20个单位，下面的导体推动的电子为10个单位，那么内部等效移动的电子数就为10个。这些电子沿着顺时针进行移动，从而就会在导线上产生电流。这种设备也被称为热电偶。核动力电池由数百个热电偶串联组合而成，它的内部是放射性同位素波238波，238会发生衰变，产生热能，温度能够达到500°C。核动力电池的外面面向太空，温度低于260°C，这种巨大的温差在通过热电偶时就能产生电力，并且能够持续为飞行器提供上百年的动力。除了产生电能外，反过来我们也可以在两根导体之间接上电池，电压会导致导线的一端升温，另外一端则会降温。这是因为当电子从一种导体传递到另一种导体时，电子会从一个能量较高的状态过渡到一个能量较低的状态，从而释放热量。高导体连接处的温度。同样的，如果一个电子从低能态跃迁到高能态，它会吸收热量，从而降低导体连接处的温度。如果将多根导线连接在一起，就会在导线两端产生一个高温区和一个低温区，形成良好的热导体。根据这个原理，我们将导线替换成半导体材料，一边是通过掺杂拥有更多电子的N型半导体，另外一边为缺乏电子形成空穴的P型半导体。现在我们在N型半导体和P型半导体的底部分别添加一块金属导体，而顶部共用一块金属导体，然后在底部两块金属导体上接上电源。现在我们来分析一下这个系统，当电子通过底部金属时，电子需要经过高能级的轨道才能进入N型半导体，这个过程会吸收热量，导致底部温度降低，然后电子来到顶部连接处时，情况刚好相反，电子只需要经过低能级的轨道就能到达顶部金属块。这个过程。会释放热量，导致结合处的温度升高。接着电子来到P型半导体的结合处，由于P型半导体内有空穴，电子只需要通过低能及轨道就能进入P型半导体，这个过程还是一样会释放热量，导致结合处的温度升高。接着电子来到底部位置的结合处，由于电子进入底部金属块需要更高能级，所以需要吸收热量，这会导致底部结合处温度降低，从而形成一个底部温度低而顶部温度高的热导体，这种热导体也被称为帕尔贴，然后通过串联成百上千的这种帕尔贴节，就可以最大限度放大热电效应，最后再添加一个散热片，就形成了一个可以有效散热的散热器了。

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