Эффект зеебека определение. Эффект Зеебека: принцип работы, применение и перспективы развития

Что такое эффект Зеебека и как он работает. Где применяется эффект Зеебека в современных технологиях. Каковы перспективы развития устройств на основе эффекта Зеебека.

Что такое эффект Зеебека и как он работает

Эффект Зеебека — это явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах. Данный эффект был открыт немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году.

Принцип работы эффекта Зеебека заключается в следующем:

1. Два разнородных проводника или полупроводника соединяются в замкнутую цепь.
2. Места контактов (спаи) поддерживаются при разных температурах — один спай нагревается, другой охлаждается.
3. Из-за разности температур спаев в цепи возникает ЭДС и начинает протекать электрический ток.

Величина возникающей ЭДС зависит от используемых материалов и разности температур между спаями. Чем больше разница температур, тем выше генерируемое напряжение.

Где применяется эффект Зеебека в современных технологиях

Эффект Зеебека нашел широкое применение в различных областях науки и техники:

1. Измерение температуры

Термопары на основе эффекта Зеебека широко используются для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях и быту. Они позволяют точно измерять температуру в широком диапазоне.

2. Выработка электроэнергии

Термоэлектрические генераторы преобразуют тепловую энергию в электрическую на основе эффекта Зеебека. Они применяются для утилизации отходящего тепла на производстве и в автомобильной промышленности.

3. Охлаждение и кондиционирование

Термоэлектрические охладители (элементы Пельтье) работают на обратном эффекте Зеебека. Они используются для охлаждения электронных компонентов, в портативных холодильниках и кондиционерах.

4. Космические технологии

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы на эффекте Зеебека обеспечивают электропитание космических аппаратов в дальнем космосе, где солнечные батареи неэффективны.

Преимущества и недостатки устройств на эффекте Зеебека

Устройства, работающие на эффекте Зеебека, имеют ряд преимуществ и недостатков:

Преимущества:

• Простая конструкция без движущихся частей
• Высокая надежность и длительный срок службы
• Компактные размеры
• Бесшумная работа
• Возможность прямого преобразования тепла в электричество

Недостатки:

• Невысокий КПД (обычно 5-8%)
• Высокая стоимость термоэлектрических материалов
• Необходимость поддержания большого градиента температур

Перспективы развития устройств на основе эффекта Зеебека

Несмотря на ряд ограничений, термоэлектрические устройства на эффекте Зеебека имеют хорошие перспективы развития:

Новые термоэлектрические материалы

Разработка более эффективных термоэлектрических материалов позволит повысить КПД преобразования и снизить стоимость устройств. Перспективными считаются наноструктурированные материалы и скуттерудиты.

Утилизация низкопотенциального тепла

Термоэлектрические генераторы могут эффективно утилизировать низкотемпературное отходящее тепло промышленных процессов, двигателей внутреннего сгорания и других источников.

Портативные источники питания

Миниатюрные термоэлектрические генераторы перспективны для питания носимой электроники и автономных датчиков за счет тепла человеческого тела.

Комбинированные системы

Интеграция термоэлектрических устройств с другими технологиями (солнечными батареями, топливными элементами) позволит создать высокоэффективные гибридные энергетические системы.

Часто задаваемые вопросы об эффекте Зеебека

Чем отличается эффект Зеебека от эффекта Пельтье?

Эффект Зеебека — это возникновение ЭДС при нагреве контакта разнородных проводников. Эффект Пельтье — обратное явление: выделение или поглощение тепла при прохождении тока через контакт разнородных проводников.

Какой максимальный КПД термоэлектрических генераторов?

Современные термоэлектрические генераторы имеют КПД 5-8%. В лабораторных условиях достигнут КПД около 15%. Теоретический предел КПД составляет около 30% при большой разности температур.

Где применяются термопары на эффекте Зеебека?

Термопары широко используются для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, бытовой технике. Они позволяют измерять температуру в диапазоне от -270°C до +2500°C.

Можно ли создать вечный двигатель на эффекте Зеебека?

Нет, создать вечный двигатель на эффекте Зеебека невозможно. Для работы термоэлектрического генератора необходим постоянный приток тепла от внешнего источника. Это не противоречит законам термодинамики.

Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство

Эффект Зеебека (ЭЗ) представляет процесс появления разницы потенциалов вместе соединения двух разных материалов вследствие нагревания указанной области. Данный эффект был получен Зеебеком в 1822 году. Именно тогда он провел опыт нагревания контакта из двух материалов, используя для этого висмут и сурьму. Для фиксирования получаемых изменений был использован гальванометр. Придерживая стык соединенных материалов, он увидел, что магнитная стрелка отклонилась от начального положения. Естественно, что разница была не такой заметной. Однако опыты повторялись вновь и вновь, благодаря чему удалось получить требуемый результат.

Указанный эффект появился вследствие появления электрической движущей силы в замкнутом контуре, выполненном из разных материалов. Чуть позже выяснилось, что различие температур вызывается появлением термоэдс. А уже следствием термоэдс в замкнутом контуре становится электрический ток. Сегодня данный эффект находит применение во многих областях. Но наибольшее его применение в современном мире можно наглядно увидеть в термопарах.

Эффект Зеебека

 заключается в создании термопары, которая состоит из двух разнородных металлов, образующих друг с другом замкнутый контур. Металлы друг от друга отличаются разными коэффициентами Зеебека, вследствие чего возникает напряжение между нагретым проводником термопары и ненагретым проводником. Это напряжение прямо пропорционально разности их температурных значений.

Во многих термоэлектрических устройствах применяется эффект Зеебека. В большинстве случаев в структуру термоэлектрических генераторов включаются термобатареи, которые набираются из полупроводниковых термических элементов. Они могут соединяться параллельно либо последовательно. Также туда входят теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термических батарей.

Типичная схема цепи термоэлектрического генератора состоит из:

• Термоэлемента полупроводникового типа, который выполнен из ветвей контактов p- и n-типа проводимости. Эти контакты имеют различные знаки коэффициента термоэлектродвижущей силы.
• Пластин коммутации, которые имеют нагреваемые и ненагреваемые спаи.
• Активной нагрузки.

При включении термоэлемента на нагрузку в контуре начинает течь постоянный ток, который вызван ЭЗ. Именно этот же ток приводит к поглощению и выделению тепла на спайках. Чтобы обеспечить высокий коэффициент ЭДС, подобные полупроводниковые материалы должны выделяться отличной электрической проводимостью. А для получения существенного перепада температур между нагретыми и ненагретыми спаями, достаточно невысокую теплопроводность.

Под такие параметры наилучшим образом подходят высоколегированные материалы.

Принцип действия

Эффект Зеебека в том, что в замкнутом контуре с жилами из разных материалов, может появиться эдс тогда, когда их контакты имеют отличающиеся показатели температуры. Если говорить по-простому, то параметр возникающей ЭДС во многом зависит от применяемых материалов проводников, в том числе от температур ненагретого и нагретого проводника.

При наличии в проводнике градиента температур по всей длине наблюдается явление, при котором электроны на нагретом конце имеют на порядок большие скорости и энергии, чем в не нагретом. Вследствие этого появляются электроны, которые направляются к холодному концу. Именно на нем скапливается минусовой заряд. На нагретом же конце происходит накапливание плюсового заряда.

Накопление заряда наблюдается до того момента, пока потенциальное отличие не достигнет показателя, при котором электроны не начнут течь обратно, вследствие чего потенциал придет в равновесие.

Эффект Зеебека характеризуется появлением различных свойств:

• Наблюдается появление разности потенциалов между контактами. Объясняется это тем, что на разных проводниках, которые контактируют друг с другом, имеется разная энергия Ферми. В результате при замыкании цепи по­тен­ци­а­лы элек­тро­нов имеют одинаковое состояние, вследствие чего появляется разность потенциалов между контактами. На контактах появляется элек­три­че­ское поле, которое локализуется в тончайшем приграничном слое.

При замыкании цепи появляется напряжение на проводниках. Направление электрического поля идет в обоих контактах от большего к меньшему. Если температура контактов изменить, то напряжение также будет меняться. Но с изменением разности потенциалов будет меняться и электрическое поле в одном из контактов. В результате появится ЭДС в контуре. Если проводники будут иметь равную температуру, то объемная и контактная ЭДС в указанном случае будут равны нулю.

• Наблюдается появление фононового увлечения. При наличии в твердом теле градиента температурного диапазона число фононов, которые направляются в конец ненагретого проводника, будет увеличиваться. Их будет становиться больше, чем тех, что идут в обратном направлении. Вследствие происходящих столкновений с электронами фононы будут утягивать вслед за собой другие. В результате на нагретом проводнике будет происходить накопление отрицательного заряда. Тогда как в нагретом проводнике будут накапливаться положительные заряды до того момента, пока разность потенциалов не сравняется с эффектом увеличения. Разность по­тен­ци­а­лов при низких тем­пе­ра­ту­рах способна достигать параметров выше в сотни раз.
• Наблюдается появление магнонного увлечения, но только в проводниках, выполненных из магнитных материалов. ЭДС появляется вследствие увлечения элек­тро­нов маг­но­на­ми.

Практическое применение

Такие устройства находят обширное применение в повседневной жизни человека. К примеру, посещая сауну, мало кто задумывается, что температура в ней поддерживается при помощи термопары.

То есть термопара — это термоэлектрический термометр, который выполнен из двух разных металлов. Они соединяются при помощи сварки. При этом один конец размещается непосредственно в сауне, а другие свободные концы выводятся наружу и подключаются к мерительному устройству. Когда печь нагревает помещение сауны, то концы термопары работают в совершенно разных температурных значениях. В результате этого появляется температурный градиент, который ведет к появлению термического тока, то есть термоэлектродвижущей силы.

Мерительное устройство выполняет преобразование термического тока в показания термометра или выступает в качестве датчика температуры. В результате при достижении определенной установленной температуры печь в сауне включается или отключается. Зная, что из себя представляет эффект Зеебека, можно даже управлять температурой в сауне. Если доступ к блоку управления печью в городской бане, к примеру, закрыт на замок, то управлять температурой можно и без него. С этой целью необходимо на конец термической пары намотать смоченную в воде тряпку или платочек. Термопара «остудится», что приведет к повышению температуры в помещении. Но это нужно делать с осторожностью, не привлекая внимания администратора сауны.

Применение

Эффект Зеебека на сегодняшний день применяется в самых разных устройствах. Примером этому могут быть сенсоры напряжения, датчики температуры, датчики давления газа, термоэлектрогенераторы, датчики интенсивности света и тому подобное.

Сегодня устройства, которые работают на ЭЗ, используются в:

• Навигационных системах кораблей и пароходов, бороздящих моря и океаны.
• Промышленных и бытовых генераторах.
• Устройствах энергетического обеспечения космических кораблей.
• Преобразователях солнечной энергии.
• Отопительных устройствах.
• Устройствах, используемых в оборудовании для перекачки и переработки газа, и нефти.
• Преобразователях тепла, которое вырабатывают источники природы. К примеру, это могут быть источники геотермальной воды.
• Космических зондах, которые летят по просторам вселенной.
• Различных термоэлектрических датчиках и так далее.

Будущее

Эффект Зеебека довольно сильно интересует ученых. Сравнительно недавно ученые из Огайо разработали технологию, которая позволяет сделать эффект невероятно эффективным. Основным недостатком современных устройств в том, что данный эффект не позволяет вырабатывать значительное количество энергии даже при использовании сильнолегированных контактов и имеющих высокую разность температур.

Ученые предлагают использовать немагнитный полупроводник, который устанавливается во внешнее магнитное поле с температурой в пределах 2-20 К. В этом случае появляется гигантский спиновый эффект Зеебека. Использование подобных термопар дает возможность существенно увеличить показатели применяемых устройств, расширить их функциональность и применение.

Самый простой пример – это их использование в качестве теплоотводящих устройств в системах кондиционирования и охлаждения. Благодаря отсутствию движущихся частей и дешевизне применяемых элементов оборудование будет работать безотказно десятками лет, а стоимость эксплуатации будет невероятно низкой. Такие термопары даже смогут вырабатывать ток из тепла для подпитки устройства, которое его выделяет. К примеру, их можно использовать для охлаждения персонального компьютера. А спиновой эффект может быть использован для создания электроники нового поколения.

Похожие темы:

• Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект
• Терморезисторы. Виды и устройство. Работа. Параметры
• Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
• Электрофорная машина. Устройство и работа. Особенности
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
• Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
• Пироэлектричество. Появление и применение. Особенности
• Эффект Джозефсона. Работа и применение. Особенности

Зеебека эффект | это… Что такое Зеебека эффект?

Зе́ебека эффе́кт

возникновение эдс (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разных проводников, контакты между которыми поддерживаются при разных температурах. На Зеебека эффекте основано действие термопары. Открыт Т. И. Зеебеком в 1821.

* * *

ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ

ЗЕ́ЕБЕКА ЭФФЕ́КТ, относится к термоэлектрическим явлениям (см. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ), заключается в возникновении электродвижущей силы (см. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА) ЭДС (термоЭДС) в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, если места контактов поддерживают при разных температурах. Открыт Т. И. Зеебеком (см. ЗЕЕБЕК Томас Иоганн) в 1821 г. Эффект Зеебека используется в термометрии (см. ТЕРМОМЕТРИЯ) и для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах (см. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР).
Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, является термопарой (см. ТЕРМОПАРА). При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоЭДС. Это и есть проявление эффекта Зеебека. При эффекте Зеебека в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, когда один контакт проводников имеет температуру, отличную от температуры другого контакта, на концах цепи, имеющих одинаковую температуру, возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур контактов.

В относительно небольшом температурном интервале величина термоЭДС Е пропорциональна разности температур контактов (спаев):
Е » a_Т(Т₂-Т₁).
Коэффициент пропорциональности Т для термопары называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициентом термоэдс, или удельной термоэдс). В общем случае коэффициент пропорциональности Т называется относительной дифференциальной термоЭДС. Его значение зависит от природы соприкасающихся проводников и от температуры. В некоторых случаях с изменением температуры Т меняет знак. Величина Т, называемая также коэффициентом Зеебека, является количественной характеристикой эффекта Зеебека: Т — это электродвижущая сила, возникающая в замкнутой цепи, состоящей из двух металлов, при разности температур между контактами в 1К. Обычно в цепи, состоящей из металлов, величина Т достигает несколько десятков микровольт на Кельвин, в цепи из полупроводников значение Т на два-три порядка выше.

Причина возникновения термотока и термоЭДС заключается в том, что на контактах возникают внутренние контактные разности потенциалов, вызванные различием концентрации носителей. Эти разности потенциалов скомпенсированы до тех пор, пока температуры контактов одинаковы. Как только возникает различие температур контактов, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток, так как компенсация нарушается. Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов или дырок (см. ДЫРКА) от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Так как вдоль однородного проводника имеется градиент температур, то возникает диффузия носителей: у охлажденного конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока.
В общем случае термоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая составляющая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, вторая — диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, третья составляющая возникает вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии — фононами ( см. ФОНОН), поток которых также распространяется к холодному концу. Удельная термоЭДС металлов невелика, и основной вклад в величину термоЭДС в цепи, состоящей из металлов, вносят разности потенциалов.
Для полупроводников основной причиной, вызывающей усиление термотока в эффекте Зеебека, является диффузия носителей. В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остается нескомпенсированный отрицательный заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака термоЭДС). В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоЭДС складываются. В полупроводниках со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то термоЭДС равна нулю.
Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Явление Зеебека широко используется для измерения температур и для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Эффект Зеебека | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Викторины

• Электричество: короткое замыкание и постоянный ток

Эффект Зеебека — подробное объяснение, применение и часто задаваемые вопросы 0122 •

Просмотров сегодня: 4. 08k

Эффект Зеебека — важное наблюдение в изучении физики. Он широко используется в применении полупроводников и проводников и, таким образом, имеет много практических применений для нас в нашей повседневной жизни. Немецкий физик Томас Йонахан Зеебек был тем, кто сформулировал это, когда заметил, что магнитный компас, когда он находится в непосредственной близости от двух полупроводников, может претерпевать изменения.

Короче говоря, эффект Зеебека объясняет взаимосвязь между изменениями температуры и полупроводников.

Что такое эффект Зеебека?

В 1821 году немецкий физик Томас Зеебек наблюдал свойства термоэлектрического эффекта. Было замечено, что цепь, состоящая из двух разных металлов, создавала ЭДС, когда их соединения поддерживались при разных уровнях температуры. Эти неоднородные металлы образуют так называемую термопару, а ток, проходящий через эту цепь, называется термоэлектрическим током.

Эффект Зеебека объясняет возникновение электродвижущей силы и электрического тока в контуре из материалов, состоящих как минимум из двух разнородных проводников, находящихся при двух разных температурах, известных как термопары. Это можно назвать термопарой с эффектом Зеебека.

Эффект Зеебека — обратимый процесс. Если поменять местами горячий и холодный спаи, изменится и направление тока. Следовательно, термоэлектрический эффект является обратимым процессом. Величина и знак термоЭДС зависят от материалов двух проводников и температуры горячего и холодного спая.

Зеебек после открытия тепловых свойств различных пар металлов, расположенных последовательно, называется термоэлектрическим рядом. Термоэлектрический эффект — это преобразование разности температур в разность электрических потенциалов или наоборот с помощью термопары.

Эффект Зеебека — лучший пример электродвижущей силы. Благодаря эффекту Зеебека мы также можем рассчитать измеряемые электрические токи или напряжения так же, как и электродвижущие силы.

Местную плотность тока можно рассчитать по формуле

⇒ J = σ(-ΔV + \[E_{эдс}\])

Где, ΔV — развиваемая разность потенциалов

 \[E_{эдс}\ ] — Электродвижущая сила

σ — Местная проводимость

Созданная электродвижущая сила объясняет эффект Зеебека, а уравнение электродвижущей силы в терминах коэффициента Зеебека имеет вид

⇒  \[E_{ЭДС}\] = -SΔT

Где, S — коэффициент Зеебека

ΔT — Температурный градиент

Коэффициент Зеебека означает, что при изменении температуры в цепи индуцируется определенный потенциал. Следует помнить, что коэффициенты Зеебека могут меняться в зависимости от температуры и зависят от состава проводника. Обычно было замечено, что при комнатной температуре коэффициент Зеебека находится в диапазоне от -100 В/К до 1000 В/К.

Каковы некоторые применения эффекта Зеебека?

Благодаря тому, что он отслеживает изменение температуры с проводимостью, он очень полезен в ряде современных операций, требующих электричества и проводимости при разнице температур. Некоторые из распространенных применений этого свойства:

• Это может быть полезно в термоэлектрических генераторах, которые используются в промышленности и на электростанциях, чтобы не терять остаточное тепло и использовать его для производства электроэнергии.

• В автомобильной промышленности эффект Зеебека также может иметь множество применений.