Принцип зеебека: Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство

Содержание

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.

Устройство

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:

Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Эффект Зеебека (ЭЗ, термоэлектрический эффект) определяет появление разницы потенциалов в месте соединения двух разнотипных материалов после нагрева определяемого участка. Эффект назван в честь ученого, который выявил его в 1822 году. В это время был проведен опыт нагрева контактов двух различных по типу сплава материалов, где был взят висмут и сурьма. Фиксирование полученных изменений было произведено за счет гальванометра. Удерживая участок стыка соединённых металлов, ученый обнаружил, что магнитная стрелка поменяла свое положение. Конечно, эта разница была не столь заметной, но дальнейшие опыты привели к требуемому результату.

Термоэлектрический эффект был обнаружен по причине возникновения движущейся электрической силы в рамках замкнутого контура, который состоял из разных материалов. Со временем было выявлено, что разница температур вызвана появляющимся термоэдс, следствием которого является возникновение тока в замкнутом контуре. На сегодняшний день эффект Зеебека полностью изучен и нашел свое применение во многих сфера деятельности человека. Но, самая высокая его востребованность наблюдается в производстве термопар.


Устройство

Термоэлектрический эффект заключается в производстве термопар, состоящих из 2-х разнородных сплавов, которые при контакте образуют замкнутый контур. Каждый металл имеет свой коэффициент Зеебека из-за чего между нагретым, и не нагретым проводником термопары появляется напряжение. Именно за счет этого напряжения и определяется термическая составляющая, т. к. оно прямо пропорционально разности температурных значений металлов.

Эффект Зеебека применим в большинстве термоэлектрических устройств. В большей части структур термоэлектрических генераторов включены термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов. Они могут быть соединены в параллельном или в последовательном порядке. Еще к ним относятся теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термобатарей.

В стандартной схеме цепи термоэлектрических генераторов имеются:

  • Полупроводниковый термоэлемент, выполненный из ветвей проводимости по типу p- и n-. У этих контактов знаки коэффициента термической движущей силы разные.

  • Пластины коммутации, имеющие нагреваемые и не нагреваемые спаи.

  • Активная нагрузка.

Во время включения термического элемента к нагрузке контура по нему начинает проходить постоянный ток, вызванный ЭЗ. Протекающее электричество поглощается спайками и выделяется в виде тепла. Для обеспечения высокого уровня ЭДС, подобные полупроводники должны обладать высокой электропроводностью. Чтобы получить существенный перепад температуры на промежуточном участке между спаями, достаточна их невысокая тепловая проводимость. Такими характеристиками наилучшим образом обладают материалы с высоким легированием.


Принципы действия

Главным образом эффект Зеебека действует по принципу того, что в замкнутом контуре двух разных материалов ЭДС появляется тогда, когда их контакты имеют разные температурные значения. Иными словами, значение ЭДС зависит от состава проводников и их температур. Если в наличии проводника есть температурный градиент, то по всей его длине будет наблюдаться увеличенная скорость электронов на нагретом конце и более низкая на ненагретом. По законам физики, электроны с нагретого конца направятся к противоположной стороне. В данном участке будет скапливаться отрицательный заряд. Противоположная сторона будет иметь накопление положительно заряженных частиц.

Заряды будут накапливаться до тех пор, пока потенциальное отличие не достигнет показателей, при которых электроны потекут обратно. В данных условиях потенциал начнет приобретать равновесие.

Эффекту Зеебека характерны различные свойства:

  • Между контактами возникает разность потенциалов. На разных контактирующих друг с другом проводках энергия Ферми также разная. При замыкании цепи потенциалы электронов будут иметь одинаковое состояние, а между контактами возникнет разность потенциалов. На контактах появится электрическое поле, локализованное в тонком приграничном слое.

  • В условиях замыкания цепи на проводках появится напряжение. Направление электрополя в двух контактах продвигается от большего к меньшему. При изменении термических значений напряжение также будет меняться. Но, в условиях изменения разности потенциалов изменится и электрическое поле в одном из контактов, результатом чего будет возникновение ЭДС в контуре. Если температура проводников будет равной, то объемная и контактная ЭДС приравняются к отметке 0.

  • Возникает фоновое увеличение. Если в твердом теле появляется градиент термического диапазона количество фонов, направляющихся к концу ненагретого проводника, увеличится. Их число будет возрастать сравнительно с теми, которые направляются к обратной стороне. Из-за столкновения с электронами фононы утянут за собой и другие. В итоге прогретый проводник накопит отрицательные заряды. А к нагретому проводнику будут прибывать положительные частицы, пока разница потенциалов не уравняется с эффектом увеличения. Разность потенциалов при низких температурах способна достигать параметров выше в сотни раз.

  • В проводниках с магнитными свойствами наблюдается магнонное увеличение. ЭДС возникает вследствие увеличения электронов магнонами.


Применение на практике

Устройства, созданные по принципу Зеебека, нашли широкое применение в быту и повседневной жизни людей. Например, приходя в сауну практически никто не задумывается, что температуру в ней контролируют за счет обычной термопары.

Термопара — это термоэлектрический измеритель, выполненный из двух разнородных металлов, которые между собой соединены за счет сварки. Один из ее концов помещают в самой сауне, а другой просто выводят наружу и подсоединяют к измерительному прибору. Когда воздух в сауне прогревается, разные концы термопары находятся в совершенно разной термической атмосфере и работаю при разных значениях. В таких условиях возникает градиент температур, что приводит к возникновению термического тока. Датчик к которому подключен ненагреваемый конец термопары преобразовывает термический ток в температурный показатель и автоматизирует подключение и отключение печи при наборе или спаде заданной температуры. Таким образом, осуществляется не только контроль, но и регуляция температуры в помещении сауны. Интересно знать, что если доступ к блоку управления температурой закрыт, например, в городских банях, то проводить управление температурой можно и без него. Для этого нужно можно на конец термопары намотать смоченную в холодной воде ветошь (ткань). Термопара охладится, и печь продолжит нагрев.

Применение

Примером использования эффекта Зеебека служат множество современных устройств: сенсоры напряжения, температурные датчики, измерители газового давления, термические электрогенераторы, контролеры интенсивности освещения и мн. др.

Приборы, работающие по принципу Зеебека, применяют:

  • В системах навигации;

  • В генераторах, промышленного и бытового значения;

  • В энергетически обеспечительных установках космического назначения;

  • В преобразователях солнечной энергии.

  • В отопительном оборудовании.

  • В установках служащих для перекачивания и переработки нефтяной продукции и газа;

  • В преобразователях тепловой энергии, вырабатываемой природными источниками.

Будущее

Эффектом Зеебека сильно заинтересованы ученые всего мира. Совсем недавно американские ученые разработали технологию, позволяющую использовать данный принцип с большой эффективностью. Основным недостатком современного оборудования является невозможность с помощью ЭЗ вырабатывать энергию в супер огромном количестве даже в условиях применения сильнолегированных металлов с высокой разностью температур.

Научные деятели предложили прибегнуть к немагнитным проводникам, которые можно устанавливать во внешнее магнитное поле с температурными пределами 2-20 К. В данном случае должен возникнуть огромный спиновый эффект Зеебека. Применение таких термических измерителей даст возможность значительно увеличить показания используемых приборов, расширить их функциональные возможности и сферы применения.

Самым простым примером является их применение в роли устройств для отвода тепла в системах кондиционирования и охлаждения. За счет того, что движущиеся частицы в данном случае будут отсутствовать, а дешевые материалы для их функционирования будут работоспособными много лет — это чрезвычайно выгодно. Термопары нового поколения даже смогут выдавать ток для подпитки приборов, которые сами его выделяют. Их можно применять для охлаждения компьютерного процессора. А спиновой эффект можно будет использовать для производства электронных устройств нового поколения.


Эффект Зеебека. Термоэлектрические генераторы

Эффект Зеебека(другое название – термоэлектрический эффект)— явление образования электродвижущей силы внутри замкнутой электропроводящей цепи, сформированной разнородными проводниками (изготовленными из ТЭМ) с помощью последовательного соединения и разницы в температуре на спаях. Обратный данному эффекту носит название эффекта Пельтье.

К числу термоэлектрических материалов (ТЭМ) относят сплавы, обладающие свойствами полупроводников, а также варианты химических соединений со значимыми термоэлектрическими параметрами, а потому подходящие для применения в конструкции термоэлектрических устройств. Есть три базовых варианта использования ТЭМ, в том числе для конструирования:

  • Термоэлектрических генераторов;
  • Термоэлектрических холодильников;
  • Измерителей температур (в диапазоне от абсолютного нуля до тысяч градусов по Кельвину).

Согласно опытам, в условиях незначительной температурной разницы между спаями термоэлектродвижущая сила в пропорциональном отношении сопоставима с разностью температур элементов, составляющих цепь.

Кроме того, любая диада с однородными проводниками, работающими в соответствии с законом Ома, обладает величиной термоэлектродвижущей силы, определяемой только качествами проводящих материалов и разностью температур, независимо от того, как эти температуры распределены между контактами.

Термопара

Если для формирования цепи использовались всего два различных проводника, то эта комбинация носит название термоэлемента или термопары. То, насколько высоким будет уровень термо-электродвижущей силы, определяется тем из каких материалов сделаны проводники и разница между температурами контактов.

Термопары применяются в основном для определения температур.

Чтобы производить измерение температурных значений вплоть для 1400 градусов по Кельвину, будет вполне достаточно применить неблагородные материалы, для измерителей с диапазоном до 1900 градусов будут нужны металлы, относящиеся к платиновой группе, а специальные особо сильные измерители изготавливаются из специальных жаростойких сплавов.

Наиболее обширно распространились модули типа хромель-алюмень. Они оптимальны для работы в окислительных средах, потому как во время нагревания на их поверхности образуется защитное покрытие из оксилов, что не даёт кислороду проникать внутрь сплава. В восстановительной среде эффект становится строго противоположным.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы применяются для того, чтобы с их непосредственной помощью преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Их работа в большинстве своём также построена на эффекте Зеебека, который может обеспечить даже преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму энергии электрической, которую тут же можно направлять на подпитку разнообразных устройств.

Подобные генераторы выгодно отличаются тем, что:

  • Гарантируют длительность срока службы без каких-либо проблемных моментов, а также отсутствие ограничений для хранения в неактивном состоянии;
  • Характеризуются устойчивым режимом работы, ликвидирую риск возникновения короткого замыкания;
  • Работают совершенно бесшумно, поскольку их конструкция не включает никаких подвижных элементов.

Благодаря своим свойствам эти генераторы активно используются в труднодоступных точках планеты, в местах с повышенными требованиями к устойчивости работы генератора и во многих отношениях являются просто незаменимыми.

Сферы применения эффекта Зеебека

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности – 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

  • Энергообеспечение космической техники;
  • Питание газо- и нефте- оборудования;
  • Бытовые генераторы;
  • Системы морской навигации;
  • Отопительные системы;
  • Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;
  • Преобразователи солнечной энергии;
  • Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

11)термопара, Эффект Зеебека

Термопара:

 Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Принцип действия:

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

, где  — энергия Ферми,  — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора  тем самым будет равна нулю.  Если температура одного из контактов изменится на , то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора  будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-эдс исчезают.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов. Другие явления, в которых участвуют теплота и электричество, такие, как термоэлектронная эмиссия и тепловое действие тока, описываемое законом Джоуля – Ленца, существенно отличаются от термоэлектрических и электротермических эффектов и здесь не рассматриваются.
См. также ТЕПЛОТА; ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ; ТЕРМОДИНАМИКА.

Термоэлектрический эффект Зеебека.

В 1820 появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление электрического тока в цепи (рис. 1). Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи VAB(T1, T2), зависящее от температур T1 и T2 спаев (рис. 2), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Зеебек заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества, измерив термо-ЭДС широкого круга твердых и жидких металлов, сплавов, минералов и даже ряда веществ, ныне называемых полупроводниками.

Электротермический эффект Пельтье.

В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном – охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Термопара.

Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T1 на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T2 другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от -160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или -273,16° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T1, а другой – при температуре T2. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Термоэлектрические свойства металлов.

Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Поэтому его обычно и используют для измерения термоэлектрических коэффициентов неизвестных материалов. Поскольку термо-ЭДС определяется свойствами обеих ветвей термопары, одна ветвь должна быть из некоего «опорного» материала, для которого известна «удельная» термо-ЭДС (термо-ЭДС на один градус разности температур). Если одна ветвь термопары находится в сверхпроводящем состоянии, то ее удельная термо-ЭДС равна нулю и термо-ЭДС термопары определяется величиной удельной термо-ЭДС другой ветви. Таким образом, сверхпроводник – идеальный «опорный» материал для измерения удельной термо-ЭДС неизвестных материалов. До 1986 самая высокая температура, при которой металл можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии, составляла лишь 10 К (-263° C). В настоящее время сверхпроводники можно использовать приблизительно до 100 К (-173° C). При более высоких температурах приходится проводить измерения с несверхпроводящими опорными материалами. До комнатной и несколько более высоких температур опорным материалом обычно служит свинец, а при еще более высоких – золото и платина.
См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Термоэлектрические свойства полупроводников.

В 1920–1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.

Термоэлектрические приборы.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник. См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества

Z = (S2sT)/k,

где T – температура, S – удельная термо-ЭДС, k – удельная теплопроводность, а s – удельная электропроводность. Чем больше S, тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s, тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k, тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.

Эффект Зеебека

В физике и электротехнике существует понятие термоэлектрического эффекта, известного также, как эффект Зеебека. Данное явление представляет собой образование электродвижущей силы внутри электропроводящей замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников. Они изготавливаются из термоэлектрических материалов и соединяются последовательно между собой. Основным условием возникновения эффекта является разница температур, образующихся на спаях. Существует процесс, обратный термоэлектрическому эффекту, называемый эффектом Пельтье.

Термоэлектрические устройства и применение эффекта Зеебека

Термоэлектрическими материалами чаще всего являются сплавы, свойства которых похожи на полупроводниковые. К этой же категории можно отнести и некоторые химические соединения со специфическими параметрами, делающими их пригодными для использования в термоэлектрических устройствах.

Существуют три основных варианта применения эффекта Зеебека в различных конструкциях и устройствах:

  • Термоэлектрические генераторы.
  • Термоэлектрические холодильники.
  • Измерители температур в широком диапазоне: от абсолютного нуля до нескольких тысяч градусов по Кельвину.

Незначительная разница температур между спаями, как показали опыты, приводит к появлению термоэлектродвижущей силы, которая пропорциональна температурной разнице элементов, включенных в цепь. Однородные проводники, работающие по закону Ома, имеются в любой диаде. В свою очередь, в ней возникает термоэлектродвижущая сила, которая определяется свойствами проводников и разницей температур. При этом, распределение температуры между контактами не играет какой-либо решающей роли. Это и есть термоэлектрический эффект Зеебека.

Если цепь состоит всего лишь из двух разных проводников, то данная комбинация будет называться термопарой. Уровень термо-ЭДС в этом случае зависит от материалов проводников и разницы температур между контактами. В большинстве случаев термопара применяется для определения температурных значений. Измерения до 1400 градусов по Кельвину может производится измерителями, в состав которых входят неблагородные элементы. При температуре 1900 градусов и выше потребуются металлы платиновой группы. Для специальных измерителей очень высоких температур применяются особые жаростойкие сплавы.

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется с помощью термоэлектрических генераторов. Основной рабочий процесс этих устройств также связан с эффектом Зеебека. За счет этого может преобразовываться даже сбросовая тепловая энергия, выделяемая двигателями машин. Полученная таким путем электроэнергия используется по своему назначению для питания различных устройств.

Преимуществами таких генераторов является продолжительный срок эксплуатации и возможность их хранения в нерабочем состоянии без каких-либо ограничений. Они отличаются надежностью и устойчивым режимом работы, полностью устраняют риск коротких замыканий. Работа этих устройств абсолютно бесшумна, так как в их конструкции не содержатся подвижные элементы.

Широкого применения эти устройства не получили только по причине низкого коэффициента эффективности, составляющего 3-8%. Однако при отсутствии обычных ЛЭП и низкой предполагаемой нагрузке, использование таких генераторов будет вполне оправданным. В результате, эффект Зеебека применение нашел в области энергообеспечения космической техники, в преобразователях солнечной энергии, отопительных системах и многих других областях, где использование традиционных источников электроэнергии не представляется возможным.

Эффект Зеебека и Пельтье

Суть эффекта Зеебека заключается в образовании электродвижущей силы в электрическом контуре, в состав которого входят проводники А и В, контакты которых обладают разными температурами Т1 и Т2. Данные свойства позволяют выполнять прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека, формула которого определяет термо-ЭДС контура: где значения SA и SB являются абсолютными термоэлектродвижущими силами проводников А и В. Абсолютная термо-ЭДС относится к одной из характеристик проводника и представляет собой S=du/dT, где u является электродвижущей силой, возникающей в проводнике при наличии в нем разницы температур. Таким образом, теоретические основы эффекта Зеебека тесным образом связаны с температурными перепадами.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

В случае неодинакового типа проводимости, полупроводников присутствующих в термопаре, эффект Пельтье будет выглядеть несколько иначе. При попадании в р-материал, электрон занимает место дырки на энергетическом уровне. В результате, у него теряется кинетическая энергия движения и наступает изменение состояния. Высвобожденная энергия способствует образованию свободных носителей с обеих сторон р-п-перехода, а оставшаяся часть уходит на кристаллическую решетку, которая и вызывает нагрев. Если в начальный момент значение энергии меньше, то спай начнет охлаждаться.

Термоэлектрический генератор энергии — Принципы работы

Введение в явления термоэлектричества необходимо для понимания принципов работы термоэлектрических устройств.

Эффект Зеебека

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда две полосы из разных электропроводящих материалов были разделены по длине, но соединены вместе двумя «ножками» на концах, возникаетмагнитное поле создавалось вокруг ветвей при условии, что между двумя переходами существовала разница температур. В следующем году он опубликовал свои наблюдения, и это явление стало известно какЭффект Зеебека . Однако Зеебек не установил причину возникновения магнитного поля. Это магнитное поле возникает из-за равных, но противоположных электрических токов в двух ветвях металлических полос. Эти токи вызваны разностью электрических потенциалов на стыках, вызванной тепловыми различиями между материалами. Если один переход открыт, но разница температур сохраняется, ток больше не течет в ногах, но можно измерить напряжение в разомкнутой цепи. Это генерируемое напряжение ( В ) являетсяЗеебековское напряжение и связано с разницей в температуре (Δ T ) между нагретым и открытым спаем коэффициентом пропорциональности (α), называемымКоэффициент Зеебека, или V = αΔ Т . Значение α зависит от типа материала стыка.

Эффект Томсона

Только в 1855 году Уильям Томсон (позже Лорд Кельвин ) установил связь между эффектами Зеебека и Пельтье, что стало первым значительным вкладом в понимание термоэлектрических явлений. Он показал, чтоТеплота или мощность Пельтье ( Q p ) в переходе была пропорциональна току перехода ( I ) через соотношение Q p = π I , где π -Коэффициент Пельтье. Посредством термодинамического анализа Томсон также показал прямую связь между эффектами Зеебека и Пельтье, а именно, что π = α T , где T — температура перехода. Более того, на основе термодинамических соображений он предсказал то, что стало известно какЭффект Томсона : тепловая энергия ( Q τ ) поглощается или выделяется по длине материального стержня, концы которого находятся при разных температурах. Было показано, что это тепло пропорционально протеканию тока и градиенту температуры вдоль стержня. Коэффициент пропорциональности τ известен какКоэффициент Томсона.

Анализ термоэлектрического устройства

На практике термоэлектрические свойства устройства адекватно описываются только одним термоэлектрическим параметром — коэффициентом Зеебека α. Как показал Томсон, коэффициент Пельтье на стыке равен коэффициенту Зеебека, умноженному на рабочую температуру перехода. Эффект Томсона сравнительно невелик, поэтому им обычно пренебрегают.

Хотя в переходах между разными металлами существует эффект Зеебека, он невелик. Гораздо больший эффект Зеебека достигается за счет использования pn- переходов между p -тип и Полупроводниковые материалы n- типа , обычно кремний или германий . На рисунке показаныполупроводниковыеветви p- типа и n- типа между источником тепла и радиатором с электрической нагрузкой с сопротивлением R L, подключенной поперек низкотемпературных концов. Практическое термоэлектрическое устройство может состоять из множестваполупроводниковыхветвей p- типа и n- типа, соединенных электрически последовательно и термически параллельно между общим источником тепла и радиатором. О его поведении можно говорить только на одной паре.

Одиночная пара термоэлектрического генератора.

Британская энциклопедия, Inc.

Понимание потоков тепловой и электрической энергии в термоэлектрическом устройстве включает два фактора в дополнение к эффекту Зеебека. Во-первых, это теплопроводность двух полупроводниковых ветвей между источником и стоком. Тепловой поток по этим двум ветвям определяется выражением 2κ ( a / L ) Δ T , где κ — их средняя теплопроводность в ваттах на метр-кельвин, a (или w 2 ) — площадь основания каждой из них в квадратных метрах. ножка, L — длина каждой ножки в метрах, а Δ Tэто разница температур между источником и стоком в градусах Кельвина. Второй фактор — это омический нагрев, который возникает в обеих ветвях из-за электрического сопротивления. Тепловая мощность, производимая в каждой ветви, определяется выражением ρ I 2 ( L / a ), где ρ — среднее удельное электрическое сопротивление полупроводниковых материалов в ом-метрах, а I — электрический ток в амперах. Примерно половина тепла, создаваемого сопротивлением в каждой из двух ветвей, течет к источнику, а половина — к раковине.

В термоэлектрическом генераторе энергии разница температур между верхней и нижней поверхностями двух ножек устройства может привести к выработке электроэнергии. Если к генератору не подключена электрическая нагрузка, подаваемая мощность источника тепла приводит к разности температур (Δ T ), величина которой определяется только теплопроводностью полупроводниковых ветвей p- и n- типа и их размерами. Столько же тепловой энергии будет отводиться на радиаторе. Однако из-за эффекта Зеебека напряжение V α = αΔ Tбудет присутствовать на выходных клеммах. Когда к этим клеммам подключена электрическая нагрузка, через нагрузку будет протекать ток. Электрическая мощность , генерируемая в устройстве равен произведению коэффициента Зеебека, & alpha текущего I , и разности температур Δ T . При заданном перепаде температур протекание этого тока вызывает увеличение тепловой мощности в устройстве, равной генерируемой электроэнергии. Часть электроэнергии, генерируемой устройством, рассеивается за счет омического нагрева в сопротивлениях двух ветвей. Остаток электрическая мощность на сопротивление нагрузки R L .

Геометрия ножек оказывает большое влияние на работу. ВМощность теплопроводности зависит от отношения площади к длине, в то время как омический нагрев зависит от обратной величины этого отношения. Таким образом, увеличение этого отношения увеличивает мощность теплопроводности, но снижает мощность, рассеиваемую в сопротивлениях ветвей. Оптимальная конструкция обычно приводит к относительно длинным и тонким ножкам.

При выборе или разработке полупроводниковых материалов, подходящих для термоэлектрических генераторов, полезным показателем качества является квадрат коэффициента Зеебека (α), деленный на произведение удельного электрического сопротивления (ρ) и теплопроводности (κ).

Что такое эффект Зеебека и эффект Пельтье? »Science ABC

Эффект Зеебека и эффект Пельтье — два основных принципа, которые определяют работу термоэлектрических генераторов.

Эффект Зеебека и эффект Пельтье могут быть классифицированы под термином термоэлектрический эффект . Любой термоэлектрический эффект предполагает преобразование разницы температур в разность напряжений. Эффекты Зеебека и Пельтье — это разные проявления одного и того же физического процесса.В некоторых случаях они связаны и известны как эффект Зеебека-Пельтье . Причина, по которой эти два эффекта разделены, связана с их независимыми открытиями двумя разными людьми. Давайте сначала подробно рассмотрим, что такое эффект Зеебека.

Что такое эффект Зеебека?

Эффект Зеебека был открыт балтийским немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Эффект Зеебека — это явление, при котором разница температур между двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками создает разницу напряжений между этими двумя веществами.

Когда тепло применяется к одному из двух проводников или полупроводников, электроны возбуждаются из-за тепла. Поскольку нагревается только одна из двух сторон, электроны начинают двигаться к более холодной стороне двух проводников. Если оба проводника соединены в виде цепи, по цепи течет постоянный ток.

Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, очень малы. Диапазон производимого напряжения обычно составляет порядка нескольких микровольт (одна миллионная вольта) на один градус Кельвина разницы температур на переходе.Если разница температур достаточно велика, некоторые устройства могут продолжать вырабатывать несколько милливольт (что составляет одну тысячную вольта).

Несколько таких устройств могут быть подключены параллельно для увеличения максимального передаваемого тока. Было показано, что такие устройства обеспечивают маломасштабный уровень электрической мощности, если сохраняется большая разница температур на стыках.

Демонстрация эффекта обратной связи

Эффект Зеебека может помочь нам рассчитать электродвижущее поле, создаваемое устройством.Это можно сделать с помощью коэффициента Зеебека. Коэффициент Зеебека материала — это мера величины повышенного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в данном материале. Используя электродвижущую силу, мы также можем рассчитать плотность тока термоэлектрического материала. Соответствующие уравнения для этого следующие:

Eemf = -S∆T

J = σ (-∆V + Eemf)

Здесь J означает плотность тока, а σ означает локальную проводимость дирижера.

Что такое эффект Пельтье?

Эффект Пельтье был назван в честь французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье, открывшего это явление в 1834 году. Эффект Пельтье — это наличие нагрева или охлаждения в наэлектризованном стыке двух разных проводников. Когда ток проходит через соединение между двумя проводниками, в месте соединения может добавляться или отводиться тепло.

Демонстрация эффекта Пельтье

Тепло Пельтье, генерируемое на стыке в единицу времени, — это где ∏A и ∏B — коэффициенты Пельтье.

Q = (A — ∏ B) I

Здесь A и B обозначают два конца проводников, а I — электрический ток. Коэффициенты Пельтье показывают, сколько тепла переносится на единицу заряда. Поскольку заряд должен быть непрерывным через соединение, соответствующий тепловой поток будет прерывистым, если ∏A и ∏B различны.

Эффект Пельтье можно рассматривать как обратный аналог эффекта Зеебека: если простая термоэлектрическая цепь замкнута, то эффект Зеебека будет управлять током, который, в свою очередь (за счет эффекта Пельтье), всегда будет передавать тепло от горячий спай к холодному спайу.

Типичный тепловой насос Пельтье включает в себя несколько последовательно соединенных переходов, через которые проходит ток. Некоторые переходы теряют тепло из-за эффекта Пельтье, а другие нагреваются. Это явление используется в термоэлектрических тепловых насосах, а также в термоэлектрических охлаждающих устройствах в холодильниках.

Эффект Зеебека: что это такое? (Напряжение, коэффициент и формула)

Что такое эффект Зеебека?

Эффект Зеебека (часто неправильно обозначаемый как «эффект Зеебэка») — это нарастание электрического потенциала через градиент температуры в различных электрических проводниках или полупроводниках.

Например, термопара измеряет разность потенциалов между горячим и холодным концом для двух разнородных материалов (например, электрического проводника или полупроводника). Измеренная разность потенциалов пропорциональна разнице температур между горячим и холодным концом.

Это явление было обнаружено немецким физиком Томасом Зеебеком (1770-1831). Зеебек обнаружил это, наблюдая за стрелкой компаса, которая отклоняется, когда между этими двумя разными металлами или полупроводниками образуется замкнутая петля.

Зеебек первоначально полагал, что это происходит из-за магнетизма, вызванного разницей температур, и назвал этот эффект термомагнитным эффектом. Однако датский физик Ганс Кристиан Орстед понял, что индуцируется электрический ток, который по закону Ампера отклоняет магнит.

Объяснение эффекта Зеебека

За это ответственны только валентные электроны в более теплой части металла, и причиной этого является тепловая энергия.Также из-за кинетической энергии этих электронов эти валентные электроны мигрируют быстрее к другому (более холодному) концу, по сравнению с более холодной частью электроны мигрируют к более теплой части. Концепция их движения:

  • На горячей стороне распределение Ферми мягкое, то есть более высокая концентрация электронов выше энергии Ферми, но на холодной стороне распределение Ферми резкое, то есть у нас меньше электронов с энергией Ферми.
  • Электроны идут туда, где энергия ниже, поэтому они будут перемещаться от более теплого конца к более холодному концу, что приводит к переносу энергии и, таким образом, к уравновешиванию температуры в конечном итоге

Или, простыми словами, мы можем прийти к выводу, что электроны на более теплый конец имеет более высокий средний импульс по сравнению с более холодным.Следовательно, они будут брать с собой энергию (больше) по сравнению с другим.

Это движение приводит к большему отрицательному заряду в более холодной части, чем в более теплой части, что приводит к генерации электрического потенциала. Если эта пара соединена через электрическую цепь. Это приводит к генерации постоянного тока. Однако создаваемое напряжение составляет несколько микровольт (10 -6 ) на разницу температур по Кельвину. Теперь мы все знаем, что напряжение увеличивается последовательно, а ток увеличивается параллельно.

Помните об этом факте, если мы сможем подключить много таких устройств для увеличения напряжения (в случае последовательного соединения) или для увеличения максимального передаваемого тока (параллельно). Позаботьтесь только об одном, что для этого требуется большой перепад температур.

Однако следует иметь в виду одну вещь: мы должны поддерживать постоянную, но разную температуру, и поэтому распределение энергии на обоих концах будет различным, и, следовательно, это приводит к успешному упомянутому процессу.

Коэффициент Зеебека

Напряжение, возникающее между двумя точками на проводе, когда между ними поддерживается постоянная разница температур 1 o Кельвина, называется коэффициентом Зеебека . Одна такая комбинация медного константана имеет коэффициент Зеебека , составляющий 41 микровольт на Кельвин при комнатной температуре.

Спиновый эффект Зеебека

Однако в 2008 году было обнаружено, что при воздействии тепла на намагниченный металл его электрон перестраивается в соответствии с его спином.Однако эта перестановка не является причиной образования тепла. Этот эффект K / w как эффект Зеебека вращения. Этот эффект используется при разработке быстрых и эффективных микропереключателей.

Применения эффекта Зеебека

Применения эффекта Зеебека включают:

  1. Этот эффект Зеебека обычно используется в термопарах для измерения разницы температур или срабатывания электронных переключателей, которые могут включать или выключать систему. Обычно используемые комбинации металлов для термопар включают константан / медь, константан / железо, константан / хром и константан.
  2. Эффект Зеебека используется в термоэлектрическом генераторе, который работает как тепловой двигатель.
  3. Они также используются на некоторых электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную энергию.
  4. В автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов для повышения топливной экономичности.

Эффект Зеебека — подробное объяснение, применение и часто задаваемые вопросы

Немецкий физик Томас Йоханан Зеебек впервые наблюдал эффект Зеебека, когда магнитный компас был поднесен к петле, соединяющей два проводника, он заметил изменение компаса.Эффект Зеебека в основном сосредоточен на термоэлектрических эффектах. Эффект Зеебека также известен как термоэлектрический эффект.

При детальном изучении термоэлектрического эффекта одной из важных концепций, с которыми мы сталкиваемся, является эффект Зеебека. Эффект Зеебека объясняет наличие разности потенциалов, когда полупроводник или проводники подвергаются разности температур. Эффект Зеебека используется для точного измерения температуры и генерирует электрический ток для некоторых приложений.

Понимание эффекта Зеебека

  • Томас Иоганн Зеебек в 1821 году дал подробное описание термоэлектрического эффекта или эффекта Зеебека. Он обнаружил, что в цепи, состоящей из двух разнородных металлов (таких как железо и медь), возникает ЭДС, когда переходы поддерживаются при разных температурах.

  • Два разнородных металла, соединенных в спай, известны как термопара. Возникающая ЭДС известна как термоэлектрическая ЭДС.А ток, протекающий в цепи, называется термоэлектрическим током.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

  • Эффект Зеебека объяснил возникновение электродвижущей силы и электрического тока в петле из материалов, состоящей как минимум из двух разнородных проводников, поддерживаемых при двух разных температурах, известных как термопары. Его можно назвать термопарой на эффекте Зеебека.

  • Эффект Зеебека — обратимый процесс.Если поменять местами горячий и холодный спай, направление тока также изменится. Следовательно, термоэлектрический эффект — обратимый процесс.

  • Величина и знак термо-ЭДС зависят от материалов двух проводников и температуры горячего и холодного спая.

  • Зеебек после обнаружения термических свойств различных пар металлов, расположенных их последовательно, получил название термоэлектрической серии.

  • Термоэлектрический эффект — это преобразование разности температур в разность электрических потенциалов или наоборот с помощью термопары.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

  • Эффект Зеебека — лучший пример электродвижущей силы. С помощью эффекта Зеебека мы также можем рассчитать измеряемые электрические токи или напряжения так же, как электродвижущие силы.

  • Локальная плотность тока может быть рассчитана по формуле:

⇒ J = σ (-ΔV + E \ [_ {emf} \])

Где,

ΔV — развиваемая разность потенциалов

E \ [_ {emf} \] — электродвижущая сила

σ — локальная проводимость

⇒ E \ [_ {emf} \] = -SΔT

Где,

S — коэффициент Зеебека

ΔT — Температурный градиент

  • Коэффициент Зеебека является мерой величины потенциала, наведенного на разницу температур.S — одно из транспортных свойств используемого материала.

  • Коэффициенты Зеебека обычно меняются в зависимости от температуры, а коэффициент Зеебека зависит от состава проводника. Обычно коэффициент Зеебека при комнатной температуре находится в диапазоне от -100 В / К до 1000 В / К.

Применение эффекта Зеебека:

Есть много свойств материалов, которые меняются в зависимости от температуры. Эффект Зеебека будет полезным инструментом для наблюдения за термоэлектрическими эффектами.Ниже приведены несколько применений эффекта Зеебека:

  1. Эффект Зеебека используется в термоэлектрических генераторах. Термоэлектрические генераторы используются на электростанциях, где они преобразуют отработанное тепло в электричество.

  2. Эффект Зеебека используется в автомобилях в качестве автомобильного генератора или автомобильного термоэлектрического генератора, который помогает повысить эффективность использования топлива.

  3. Эффект Зеебека используется в термопарах. Термопары — это электрические устройства, изготовленные из двух разнородных металлов или проводников, находящихся при двух разных температурах.Они используются для измерения разности потенциалов между двумя проводниками.

  4. Эффект Зеебека также используется в термофилах. Термофилы — это количество последовательно соединенных термопар.

Знаете ли вы?

Мы знаем, что на тепловых станциях тепловая энергия преобразуется в электрическую, а затем распределяется в соответствии с потребностями по линиям электропередач. При преобразовании тепловой энергии в электрическую мы столкнемся с некоторыми потерями энергии.Затем в таких термоэлектрических генераторах используется эффект Зеебека. Эти термоэлектрические генераторы используются на электростанциях, где они преобразуют отработанное тепло в электричество.

Термоэлектрический эффект — Энциклопедия New World

Термоэлектрический эффект — это явление, с помощью которого разница температур напрямую преобразуется в электрическое напряжение и наоборот. В повседневной жизни термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда с каждой стороны разная температура.И наоборот, когда на него подается напряжение, создается разница температур. В масштабе атомов (в частности, носителей заряда) приложенная разность температур заставляет носители заряда в материале, будь то электроны или дырки, диффундировать с горячей стороны на холодную, подобно классическому газу, который расширяется при нагревании. ; следовательно, термически индуцированный ток.

Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения предметов, их нагрева или приготовления.Поскольку направление нагрева и охлаждения определяется знаком приложенного напряжения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Традиционно термин термоэлектрический эффект или термоэлектричество охватывает три отдельно идентифицированных явления, известных как эффект Зеебека , эффект Пельтье и эффект Томсона . Во многих учебниках термоэлектрический эффект может также называться эффектом Пельтье – Зеебека .Это разделение происходит из независимых открытий французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье и эстонско-немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека. Джоулев нагрев, тепло, которое генерируется всякий раз, когда к резистивному материалу прикладывается разность напряжений, в некоторой степени связано, хотя обычно его не называют термоэлектрическим эффектом (и его обычно считают механизмом потерь из-за неидеальности термоэлектрических свойств). устройств). Эффекты Пельтье – Зеебека и Томсона обратимы, а джоулев нагрев — нет.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека включает преобразование разницы температур непосредственно в электричество.

Зеебек обнаружил, что стрелка компаса будет отклоняться, если замкнутая петля будет образована из двух металлов, соединенных в двух местах с разницей температур между соединениями. Это связано с тем, что металлы по-разному реагируют на разницу температур, что создает токовую петлю, которая создает магнитное поле. Зеебек, однако, в то время не осознавал наличие электрического тока, поэтому он назвал это явление термомагнитным эффектом, полагая, что два металла стали магнитно поляризованными из-за температурного градиента.Датский физик Ганс Кристиан Эрстед сыграл жизненно важную роль в объяснении и понимании термина «термоэлектричество».

Эффект состоит в том, что напряжение, термоэлектрическая ЭДС, создается при наличии разницы температур между двумя разными металлами или полупроводниками. Это вызывает постоянный ток в проводниках, если они образуют замкнутую петлю. Создаваемое напряжение составляет порядка нескольких микровольт на разницу в кельвинах. Одна такая комбинация, медь-константан, имеет коэффициент Зеебека 41 микровольт на кельвин при комнатной температуре.{T_ {2}} \ left (S _ {\ mathrm {B}} (T) -S _ {\ mathrm {A}} (T) \ right) \, dT}

S A и S B — коэффициенты Зеебека (также называемые термоэдс , или термоЭДС ) металлов A и B как функция температуры, а T 1 и T 2 — температуры двух стыков. Коэффициенты Зеебека нелинейны как функция температуры и зависят от абсолютной температуры проводника, материала и молекулярной структуры.Если коэффициенты Зеебека фактически постоянны для измеренного диапазона температур, приведенная выше формула может быть аппроксимирована следующим образом:

V = (SB − SA) ⋅ (T2 − T1) {\ displaystyle V = (S _ {\ mathrm {B}} -S _ {\ mathrm {A}}) \ cdot (T_ {2} -T_ {1 })}

Эффект Зеебека обычно используется в устройстве, называемом термопарой (поскольку оно состоит из соединения или соединения материалов, обычно металлов), для прямого измерения разницы температур или измерения абсолютной температуры путем установки одного конца. до известной температуры.Несколько термопар, соединенных последовательно, называются термобатареями, которые иногда создаются для увеличения выходного напряжения, поскольку напряжение, индуцируемое на каждой отдельной паре, невелико.

Этот принцип также применяется в тепловых диодах и термоэлектрических генераторах (например, радиоизотопных термоэлектрических генераторах или РИТЭГах), которые используются для создания энергии за счет перепадов тепла.

Эффект Зеебека возникает из-за двух эффектов: диффузии носителей заряда и увлечения фононов (описано ниже).Если оба соединения поддерживаются при одинаковой температуре, но одно соединение периодически открывается и закрывается, измеряется напряжение переменного тока, которое также зависит от температуры. Это применение зонда Кельвина иногда используется, чтобы доказать, что физике, лежащей в основе, нужен только один переход. И этот эффект все еще виден, если провода только подходят, но не соприкасаются, поэтому диффузия не требуется.

Термоэнергетика

Термоэдс , термоэлектрическая мощность или коэффициент Зеебека материала измеряет величину индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в этом материале.ТермоЭДС измеряется в единицах (В / К) {\ displaystyle (В / К)}, хотя на практике чаще используется микровольт на кельвин. Значения в сотни мкВ / К, отрицательные или положительные, типичны для хороших термоэлектрических материалов. Термин термоЭДС используется неправильно, поскольку он измеряет напряжение или электрическое поле, индуцированное в ответ на разницу температур, а не электрическую мощность. Приложенная разница температур заставляет носители заряда в материале, будь то электроны или дырки, диффундировать с горячей стороны на холодную, подобно классическому газу, который расширяется при нагревании.Подвижные носители заряда, мигрирующие в холодную сторону, оставляют свои противоположно заряженные и неподвижные ядра на горячей стороне, что приводит к возникновению термоэлектрического напряжения (термоэлектрическое напряжение относится к тому факту, что напряжение создается разностью температур). Поскольку разделение зарядов также создает электрический потенциал, накопление носителей заряда на холодной стороне в конечном итоге прекращается при некотором максимальном значении, поскольку существует равное количество носителей заряда, дрейфующих обратно на горячую сторону в результате электрического поля в состоянии равновесия. .Только увеличение разницы температур может возобновить накопление большего количества носителей заряда на холодной стороне и, таким образом, привести к увеличению термоэлектрического напряжения.

Между прочим, термоЭДС измеряет также энтропию, приходящуюся на носитель заряда в материале. Чтобы быть более конкретным, считается, что парциальная молярная электронная теплоемкость равна абсолютной термоэлектрической мощности, умноженной на отрицательную величину постоянной Фарадея. [1]

Термоэдс материала, представленная S {\ displaystyle S} (или иногда α {\ displaystyle \ alpha}), зависит от температуры материала и кристаллической структуры.Как правило, металлы имеют низкую термоэдс, потому что большинство из них имеют полосы наполовину. Электроны (отрицательные заряды) и дырки (положительные заряды) вносят свой вклад в индуцированное термоэлектрическое напряжение, тем самым компенсируя вклад друг друга в это напряжение и делая его небольшим. Напротив, полупроводники могут быть легированы избыточным количеством электронов или дырок и, таким образом, могут иметь большие положительные или отрицательные значения термоэдс в зависимости от заряда избыточных носителей. Знак термоЭДС может определять, какие носители заряда доминируют в переносе электричества как в металлах, так и в полупроводниках.

Если разница температур ΔT {\ displaystyle \ Delta T} между двумя концами материала мала, то термоЭДС материала определяется (приблизительно) следующим уравнением [2] :

S = ΔVΔT {\ displaystyle S = {\ Delta V \ over \ Delta T}}

и на выводах видно термоэлектрическое напряжение Δ В . (Хотя во многих учебниках используется приблизительное определение, в некоторых дается точное выражение. [3] [4] )

Это также можно записать относительно электрического поля E {\ displaystyle E} и градиента температуры ∇T {\ displaystyle \ nabla T} с помощью приблизительного уравнения [2] :

S = E∇T {\ displaystyle S = {E \ over \ nabla T}}

На практике редко измеряют абсолютную термоЭДС интересующего материала.Это связано с тем, что электроды, прикрепленные к вольтметру, должны быть помещены на материал для измерения термоэлектрического напряжения. Затем температурный градиент обычно вызывает термоэлектрическое напряжение на одном плече измерительных электродов. Следовательно, измеренная термоЭДС включает вклад термоЭДС исследуемого материала и материала измерительных электродов.

Тогда измеренная термоэдс является вкладом обеих и может быть записана как:

SAB = SB − SA = ΔVBΔT − ΔVAΔT {\ displaystyle S_ {AB} = S_ {B} -S_ {A} = {\ Delta V_ {B} \ over \ Delta T} — {\ Delta V_ {A} \ over \ Delta T}}

Сверхпроводники имеют нулевую термоэдс, поскольку носители заряда не производят энтропию.Это позволяет напрямую измерить абсолютную термоЭДС интересующего материала, поскольку это также термоЭДС всей термопары. Кроме того, измерение коэффициента Томсона, г. до н. Э. ; {\ displaystyle \ mu}, материала также может давать термоэдс через соотношение: S = ∫ до н. Э. ; TdT {\ displaystyle S = \ int {\ mu \ over T} dT}

Термоэдс — важный параметр материала, определяющий эффективность термоэлектрического материала.Более высокое индуцированное термоэлектрическое напряжение для данного температурного градиента приведет к большей эффективности. В идеале хотелось бы иметь очень большие значения термоэдс, поскольку тогда для создания большого напряжения необходимо лишь небольшое количество тепла. Это напряжение затем можно использовать для обеспечения питания.

Диффузия носителей заряда

Носители заряда в материалах (электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в ионных проводниках) будут диффундировать, когда один конец проводника имеет температуру, отличную от температуры другого.Горячие носители диффундируют от горячего конца к холодному, поскольку на холодном конце проводника плотность горячих носителей ниже. Носители холода распространяются от холодного конца к горячему по той же причине.

Если бы проводник оставался для достижения термодинамического равновесия, этот процесс привел бы к равномерному распределению тепла по проводнику (см. Теплопередачу). Движение тепла (в виде горячих носителей заряда) от одного конца к другому называется тепловым током.Когда носители заряда движутся, это также электрический ток.

В системе, где на обоих концах поддерживается постоянная разница температур (постоянный тепловой ток от одного конца к другому), происходит постоянная диффузия носителей. Если бы скорость диффузии горячих и холодных носителей заряда в противоположных направлениях была одинаковой, чистое изменение заряда отсутствовало бы. Однако диффундирующие заряды рассеиваются на примесях, дефектах и ​​колебаниях решетки (фононах). Если рассеяние зависит от энергии, горячие и холодные носители будут диффундировать с разной скоростью.Это создает более высокую плотность носителей на одном конце материала, а расстояние между положительным и отрицательным зарядами создает разность потенциалов; электростатическое напряжение.

Это электрическое поле, однако, препятствует неравномерному рассеянию носителей, и достигается равновесие, когда чистое количество носителей, диффундирующих в одном направлении, компенсируется чистым числом носителей, движущихся в противоположном направлении от электростатического поля. Это означает, что термоЭДС материала в значительной степени зависит от примесей, дефектов и структурных изменений (которые часто меняются в зависимости от температуры и электрического поля), а термоЭДС материала представляет собой совокупность множества различных эффектов.

Ранние термопары были металлическими, но многие недавно разработанные термоэлектрические устройства были сделаны из чередующихся полупроводниковых элементов p-типа и n-типа, соединенных металлическими межсоединениями, как показано на рисунках ниже. Полупроводниковые переходы особенно распространены в устройствах для выработки электроэнергии, в то время как металлические переходы более распространены при измерении температуры. Заряд протекает через элемент n-типа, пересекает металлическое межсоединение и переходит в элемент p-типа. Если предусмотрен источник питания, термоэлектрическое устройство может действовать как охладитель, как показано на рисунке слева внизу.Это эффект Пельтье, описанный в следующем разделе. Электроны в элементе n-типа будут двигаться против направления тока, а отверстия в элементе p-типа будут двигаться в направлении тока, отводя тепло с одной стороны устройства. Если предусмотрен источник тепла, термоэлектрическое устройство может работать как генератор энергии, как показано на рисунке справа внизу. Источник тепла будет направлять электроны в элементе n-типа в более холодную область, тем самым создавая ток в цепи.Отверстия в элементе p-типа будут течь в направлении тока. Затем ток можно использовать для питания нагрузки, тем самым преобразуя тепловую энергию в электрическую.

Phonon drag

Фононы не всегда находятся в локальном тепловом равновесии; они движутся против теплового градиента. Они теряют импульс из-за взаимодействия с электронами (или другими носителями) и дефектами кристалла. Если фонон-электронное взаимодействие преобладает, фононы будут стремиться подтолкнуть электроны к одному концу материала, теряя при этом импульс.Это способствует уже существующему термоэлектрическому полю. Этот вклад наиболее важен в области температур, где преобладает рассеяние фононов на электронах. Это происходит для

T≈15θD {\ displaystyle T \ приблизительно {1 \ over 5} \ theta _ {\ mathrm {D}}}

, где θ D — температура Дебая. При более низких температурах меньше фононов, доступных для увлечения, а при более высоких температурах они имеют тенденцию терять импульс в фонон-фононном рассеянии вместо фонон-электронного рассеяния.

Эта область зависимости термоЭДС от температуры сильно изменяется под действием магнитного поля.

Спиновые батареи с эффектом Зеебека и магнитные батареи

Физики недавно обнаружили, что нагрев одной стороны намагниченного никель-железного стержня заставляет электроны перестраиваться в соответствии со своими спинами. Этот так называемый «эффект вращения Зеебека» может привести к тому, что батареи будут генерировать магнитные токи, а не электрические. Источник магнитных токов может быть особенно полезен для разработки устройств спинтроники, в которых магнитные токи используются для уменьшения перегрева компьютерных микросхем, поскольку, в отличие от электрических токов, магнитные токи не выделяют тепла. [5]

Эффект Пельтье

Этот эффект носит имя Жан-Шарля Пельтье (французский физик), который в 1834 году открыл теплотворный эффект электрического тока на стыке двух разных металлов. Когда через цепь протекает ток I, тепло выделяется в верхнем переходе (при T 2 ) и поглощается в нижнем переходе (при T 1 ). Тепло Пельтье, поглощаемое нижним спаем за единицу времени, Q˙ {\ displaystyle {\ dot {Q}}} равно

Q˙ = ΠABI = (ΠB − ΠA) I {\ displaystyle {\ dot {Q}} = \ Pi _ {\ mathrm {AB}} I = \ left (\ Pi _ {\ mathrm {B}} — \ Pi _ {\ mathrm {A}} \ right) I}

Где — коэффициент Пельтье Π AB всей термопары, а Π A и Π B — коэффициенты для каждого материала.Кремний P-типа обычно имеет положительный коэффициент Пельтье (но не выше ~ 550 K), а кремний n-типа обычно отрицательный, как следует из названий.

Коэффициенты Пельтье представляют, сколько теплового тока переносится на единицу заряда через данный материал. Поскольку зарядный ток должен быть непрерывным через соединение, связанный тепловой поток будет иметь прерывистый характер, если Π A и Π B различны. Это вызывает ненулевое расхождение на стыке, и поэтому тепло должно накапливаться или истощаться там, в зависимости от знака тока.Другой способ понять, как этот эффект может охладить переход, — это отметить, что когда электроны текут из области с высокой плотностью в область с низкой плотностью, они расширяются (как в случае идеального газа) и охлаждаются.

Проводники пытаются вернуться к электронному равновесию, которое существовало до подачи тока, путем поглощения энергии на одном соединителе и высвобождения ее на другом. Отдельные пары можно соединить последовательно, чтобы усилить эффект.

Интересным следствием этого эффекта является то, что направление теплопередачи контролируется полярностью тока; изменение полярности изменит направление передачи и, следовательно, знак поглощенного / выделяемого тепла.

A Охладитель Пельтье / нагреватель или термоэлектрический тепловой насос — это активный твердотельный тепловой насос, который передает тепло от одной стороны устройства к другой. Охлаждение Пельтье также называется термоэлектрическим охлаждением (ТЕС).

Эффект Томсона

Эффект Томсона был предсказан и впоследствии экспериментально обнаружен Уильямом Томсоном (лорд Кельвин) в 1851 году. Он описывает нагрев или охлаждение проводника с током с градиентом температуры.{2} — \ mu J {\ frac {dT} {dx}} \, \!}

где

ρ — удельное сопротивление материала.

dT / dx — температурный градиент вдоль провода

μ — коэффициент Томсона.

Первый член ρ J² — это просто джоулева нагревание, которое необратимо.

Второй член — это тепло Томсона, которое меняет знак, когда Дж меняет направление.

В металлах, таких как цинк и медь, у которых более горячий конец имеет более высокий потенциал и более холодный конец при более низком потенциале, когда ток перемещается от более горячего конца к более холодному концу, он перемещается от высокого к низкому потенциалу. , так что происходит выделение тепла.Это называется положительным эффектом Томсона .

В таких металлах, как кобальт, никель и железо, у которых более холодный конец имеет более высокий потенциал и более горячий конец при более низком потенциале, когда ток перемещается от более горячего конца к более холодному концу, он перемещается от низкого к более холодному концу. высокий потенциал, происходит поглощение тепла. Это называется отрицательным эффектом Томсона .

Коэффициент Томсона является уникальным среди трех основных термоэлектрических коэффициентов, потому что это единственный термоэлектрический коэффициент, напрямую измеряемый для отдельных материалов.Коэффициенты Пельтье и Зеебека можно определить только для пар материалов. Таким образом, не существует прямого экспериментального метода для определения абсолютного коэффициента Зеебека (т. Е. ТермоЭДС) или абсолютного коэффициента Пельтье для отдельного материала. Однако, как упоминалось в другом месте этой статьи, есть два уравнения, соотношения Томсона, также известные как соотношения Кельвина (см. Ниже), связывающие три термоэлектрических коэффициента. Поэтому только один можно считать уникальным.

Если коэффициент Томсона материала измеряется в широком диапазоне температур, включая температуры, близкие к нулю, можно затем интегрировать коэффициент Томсона по диапазону температур, используя соотношения Кельвина для определения абсолютного значения (т.е.е. для одного материала) значения коэффициентов Пельтье и Зеебека. В принципе, это необходимо сделать только для одного материала, поскольку все остальные значения могут быть определены путем попарного измерения коэффициентов Зеебека в термопарах, содержащих эталонный материал, с последующим добавлением абсолютной термоэлектрической мощности (термоЭДС) эталонного материала.

Принято считать, что свинец имеет нулевой эффект Томсона. Хотя термоэлектрические коэффициенты свинца малы, в целом они не равны нулю.Коэффициент Томсона свинца был измерен в широком диапазоне температур и был интегрирован для расчета абсолютной термоэлектрической мощности (термоЭДС) свинца как функции температуры. [6]

В отличие от свинца термоэлектрические коэффициенты всех известных сверхпроводников равны нулю.

Отношения Томсона

Эффект Зеебека на самом деле представляет собой комбинацию эффектов Пельтье и Томсона. Фактически, в 1854 году Томсон обнаружил две взаимосвязи, которые теперь называются отношениями Томсона или Кельвина, между соответствующими коэффициентами.Абсолютная температура T , коэффициент Пельтье Π {\ displaystyle \ Pi} и коэффициент Зеебека S связаны первым соотношением Томсона.

Π = S⋅T {\ displaystyle \ Pi = S \ cdot T}

, который предсказал эффект Томсона до того, как он был фактически формализован. Они связаны с коэффициентом Томсона г. до н. Э. ; {\ displaystyle \ mu} вторым соотношением Томсона

до н. Э. ; знак равно TdS / dT. {\ Displaystyle \ mu = TdS / dT.\,}

Теоретическое рассмотрение термоэлектричества Томсоном примечательно тем, что это, вероятно, первая попытка разработать разумную теорию необратимой термодинамики (неравновесной термодинамики). {2} \ over \ lambda}},

, где σ — электропроводность, λ — теплопроводность, а S — коэффициент Зеебека или термоЭДС (обычно в мкВ / К).Это чаще всего выражается как безразмерный показатель качества ZT путем умножения его на среднюю температуру ((T2 + T1) / 2 {\ displaystyle (T_ {2} + T_ {1}) / 2}). Более высокие значения ZT указывают на большую термодинамическую эффективность при соблюдении определенных положений, в частности требования, чтобы два материала пары имели одинаковые значения Z . ZT , таким образом, является очень удобным показателем для сравнения потенциальной эффективности устройств, использующих различные материалы.Значения ZT = 1 считаются хорошими, а значения в диапазоне по крайней мере 3–4 считаются важными для термоэлектриков, чтобы конкурировать с механической генерацией и охлаждением по эффективности. На сегодняшний день наилучшие зарегистрированные значения ZT находятся в диапазоне 2–3. [7] Многие исследования термоэлектрических материалов были сосредоточены на увеличении коэффициента Зеебека и снижении теплопроводности, особенно за счет изменения наноструктуры материалов.

См. Также

Банкноты

  1. ↑ Алан Л.Роквуд, 1984. Связь термоэлектричества с электронной энтропией. Phys. Ред. A 30: 2843–2844.
  2. 2,0 2,1 Строго говоря, приведенные здесь два выражения для коэффициента Зеебека являются приблизительными: числитель первого уравнения должен быть разностью (электрохимический потенциал, деленный на -e), а не электрического потенциала, и аналогично второе уравнение должно иметь градиент электрохимического потенциала, деленный на е, а не электрическое поле.Однако химический потенциал часто относительно постоянен как функция температуры, поэтому использование одного электрического потенциала в этих случаях является очень хорошим приближением. См. Taylor, P.L. 1973 г. Комментарий к «Коэффициент Зеебека при температуре Кюри: удельная теплоемкость носителей заряда в ферромагнетиках». Phys. Rev. B 7: 1197 — 1198. (последнее посещение — 4 февраля 2009 г.)
  3. ↑ Sadamichi Maekawa, et al. 2004. Физика оксидов переходных металлов , 323. (Берлин: Springer. ISBN 3540212930).
  4. ↑ G.S. Nolas et al. 2001. Термоэлектрики: основные принципы и разработки новых материалов , 38. (Берлин: Springer. ISBN 354041245X).
  5. ↑ Новый эффект спинтроники может привести к появлению магнитных батарей. Physorg.com . Проверено 4 февраля 2009 года.
  6. ↑ Робертс Р. Б., 1977. Абсолютная шкала термоэлектричества. Природа 265: 226–227. DOI: 10.1038 / 265226a0
  7. ↑ Кэти Уолтер, май 2007 г. Квантовый вклад в технологию . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Проверено 4 февраля 2009 года.

Список литературы

  • Безансон, Роберт М. 1985. Физическая энциклопедия , 3-е изд. Нью-Йорк: Компания Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN 0442257783
  • Иоффе А.Ф. 1957. Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение. Лондон: Infosearch Limited. ISBN 0850860393
  • Nolas, G.S., et al. 2001. Термоэлектрики: основные принципы и разработки новых материалов .Берлин: Springer. ISBN 354041245X
  • Робертс, Р. Б. 1977. Абсолютная шкала термоэлектричества. Природа 265: 226–227. DOI: 10.1038 / 265226a0
  • Роу, Д.М. 2006. Справочник по термоэлектрике: от макро до нано. Бока-Ратон: CRC / Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0849322642
  • Томсон, Уильям. 1851. К механической теории термоэлектрических токов. Proc. Рой. Soc. Эдинбург . 91–98.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 6 февраля 2020 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Электропроводность

, Seebeck, Harman & ZT

С помощью Linseis LSR-Platform можно почти полностью охарактеризовать термоэлектрические материалы как в виде твердых материалов, так и в виде тонких пленок.В базовой версии — LSR-3, как -коэффициент Зеебека , так и Электропроводность (или удельное сопротивление) твердых материалов могут измеряться полностью автоматически и одновременно при максимальной температуре до 1500 ° C.

Базовая версия может комбинироваться с различными опциями для расширения области применения. Например, низкотемпературная опция позволяет выполнять полностью автоматические измерения с LN 2 — охлаждением до -100 ° C. Использование специального тонкопленочного адаптера расширяет диапазон измерений и позволяет измерять фольгу и тонкие слои.Дополнительная камера позволяет определять электропроводность с высочайшей точностью, а использование опции «высокое сопротивление» позволяет значительно расширить диапазон измерения, чтобы охарактеризовать образцы с плохой электропроводностью.

Для расчета термоэлектрической добротности ZT, , которая широко используется для сравнения эффективности термоэлектрических материалов, необходимо знать теплопроводность материалов, а также коэффициент Зеебека и электрическую проводимость.Для измерения параметров теплопередачи обычно требуется дополнительное измерительное устройство, такое как LaserFlash.

Для решения этой проблемы в платформу Linseis LSR можно интегрировать дополнительный LaserFlash (см. LZT-Meter) или использовать специальный адаптер, который позволяет определять характеристики твердых материалов с помощью так называемого метода Хармана . Он позволяет напрямую определять ZT, что в сочетании с двумя исходными измерениями коэффициента Зеебека и электропроводности позволяет сделать выводы о теплопроводности .Платформа LSR с интегрированным методом Хармана будет называться LSR-4 из-за значительной добавленной стоимости. Посредством дополнительного расширения измерительной электроники значение ZT для модулей (TEG) в платформе LSR-4 может быть определено в форме спектроскопии импеданса в соответствии с тем же фундаментальным принципом измерения.

ZEM-3.indd

% PDF-1.7 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток 2016-01-14T13: 27: 45 + 09: 002016-01-14T13: 27: 45 + 09: 002016-01-14T13: 27: 45 + 09: 00Adobe InDesign CS6 (Windows) uuid: 0c0efe2a-565d-42d9- 8a9a-3b86

  • accuuid: d1641b30-89b2-4b4e-9a26-d2a9f82f98cfapplication / pdf
  • ZEM-3.indd
  • kantopwin7
  • Fujifilm XMF 5.1.1.3 wm_V5.1.1. конечный поток эндобдж 3 0 obj > эндобдж 5 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Shading> / XObject >>> / Rotate 90 / TrimBox [0 0.] | 6pw |: ݿ 7 ۇ 8 v ЧАС A «1t ߵ2 B] 3J (_Wd9aanBE.> 9u

    6,28 Термоэлектрические приложения

    6,28 Термоэлектрические приложения
    Квантовая механика для инженеров © Леон ван Доммелен


    Подразделы


    6.28 Термоэлектрические приложения

    Термоэлектрические эффекты можно использовать для создания твердотельного охлаждения. устройств, или для определения разницы температур, или для преобразования теплового энергия напрямую в электричество.В этом разделе объясняется основные принципы.

    Есть три различных термоэлектрических эффекта. Их называют Эффекты Пельтье, Зеебека и Томсона после исследователей, которые первыми наблюдал за ними. Томсон более известен как Кельвин.

    Эти эффекты совершенно не характерны для полупроводников. Однако полупроводники особенно подходят для термоэлектрических приложения.Причина в том, что природа носителей тока в полупроводниках можно манипулировать. Это делается путем допирования материал, как описано в разделе 6.23. В Легированный полупроводник n-типа, токи переносятся мобильными электроны. В легированном полупроводнике p-типа токи равны переносятся подвижными дырками, квантовыми состояниями, из которых электроны отсутствует. Электроны — это отрицательно заряженные частицы, но дырки действуют как положительно заряженные.Это потому, что отрицательно заряженный электрон отсутствует в дырке.


    6.28.1 Эффект Пельтье

    Термоэлектрическое охлаждение может быть достигнуто за счет так называемого Эффект Пельтье. Верхняя часть рисунка 6.37 показана схема охладителя Пельтье. Типичное устройство состоит из блоки полупроводника, такого как теллурид висмута, которые попеременно легированные n-типа и p-типа.Блоки электрически соединены полосами из металла типа меди.

    Соединения выполнены таким образом, что при прохождении тока через устройство, как электроны n-типа, так и p-типа отверстия перемещаются к одной и той же стороне устройства. Например, в рис. 6.37 и электроны, и дырки перемещаются в верхнюю часть устройство. Однако ток в блоках p-типа направлен вверх и вниз в блоках n-типа. (Поскольку электроны отрицательно заряжены, их ток направлен в направлении, противоположном их движению.) Тот же ток, который входит в металлическую полосу из одного блока, уходит из снова разделите другой блок.

    Рисунок 6.37: Охлаждение Пельтье. Вверху: физическое устройство. Внизу: электронные энергетические спектры полупроводниковых материалов. Квантовые состояния, заполненные электронами, показаны красным.

    Теперь рассмотрим металлическую полосу в верхней части устройства на рисунке. 6.37. Такую полосу нужно принимать в поток электроны зоны проводимости от полупроводникового блока n-типа A. Он должен сбросить такое же количество электронов в дырки валентной зоны. поступающий из полупроводникового блока p-типа B для устранения их. Как показано верхней стрелкой между спектрами на внизу рисунка 6.37, это снижает энергию электроны. Таким образом выделяется энергия, и верхние полоски нагреваются.

    Однако нижняя полоска должна выводить электроны из валентной полоса полупроводника B p-типа для создания выходящих дырок.Он должен поместить эти электроны в зону проводимости Полупроводник n-типа A. Это требует энергии, поэтому нижняя часть полоски теряют энергию и остывают. Вы можете думать об этом как о испарительное охлаждение: нижние полосы должны отдавать свои электроны с максимальной тепловой энергией.

    В итоге охладитель Пельтье действует как тепловой насос, который удаляет тепло с холодной стороны и добавляет его к горячей. Оно может поэтому обеспечьте охлаждение на холодной стороне.В момент пишет, что охладители Пельтье потребляют гораздо больше энергии для работы, чем устройство на основе хладагента с такой же охлаждающей способностью. Однако устройство намного проще, и поэтому больше подходит для различных небольшие приложения. И он может легко регулировать температуру; простой изменение направления тока превращает холодную сторону в горячую.

    Обратите внимание, что в то время как устройство Пельтье соединяет типы p и n полупроводники, он не работает как диод.В частности, даже в нижние полоски нет необходимости поднимать электроны над полосой зазор полупроводника для создания новых электронов и дырок. Медь не имеет запрещенной зоны.

    Это правда, что нижние полоски должны выводить электроны из валентную зону p-типа и поместите их в n-тип зона проводимости. Однако, поскольку спектры внизу рисунка 6.37, энергия, необходимая для этого, намного меньше, чем запрещенная зона.Причина в том, что спектр p-типа приподнят относительно n-типа. Это эффект электростатические потенциальные энергии, которые различаются в двух полупроводники. Даже в тепловом равновесии спектры находятся на неравные уровни. В частности, в равновесии электростатический потенциалы регулируются так, чтобы химические потенциалы, показанные красной галочкой отметки в спектрах выстраиваются в линию. Приложенное внешнее напряжение тогда еще больше уменьшает разницу в энергии.

    В более общем плане анализ охлаждения Пельтье можно сформулировать в терминах свойств задействованных материалов. «Коэффициент Пельтье» материала определяется как тепловой поток, создаваемый электрическим током, принятый на единицу тока.

    (6.38)

    Вот ток через материал и тепло поток, который он вызывает. Другими словами, коэффициент Пельтье — это тепловая энергия, переносимая на единицу заряда.Это дает ему единицы СИ вольт.

    Теперь рассмотрим энергетический баланс верхней полосы на рисунке. 6.37. Электрический ток течет из материала А к материалу В через полосу. (Этот ток отрицательный, поскольку показано, но это не важно для общей формулы.) ток приносит с собой тепловой поток из материала А, который впадает в полосу. Но другой тепловой поток покидает полосу через материал Б.Разница между тем, что входит, и тем, что гаснет то, что остается внутри полосы для ее нагрева:

    (6.39)

    Это уравнение в целом справедливо; A и B не должны быть полупроводники. Разница в материальных коэффициентах Пельтье составляет называется коэффициентом Пельтье перехода.

    Для верхних полос на рис. 6.37 это отрицательный.Кроме того, как обсуждается ниже, n-тип будет отрицательным, а р-тип положительный. Это заставляет чистое тепло течь в полоска положительная в порядке. Отметим также, что противоположные знаки коэффициентов Пельтье n-типа и p-типа действительно помогают сделать чистый тепловой поток как можно большим.

    Если в полупроводниках есть температурный градиент, то дополнительно к току, и будет, он тоже создаст тепловой поток, {А.11}. Этот тепловой поток можно найти, используя то, что известно как закон Фурье. Это плохая новость, так как он отводит тепло от горячего. сторону и ведет ее в холодную сторону.

    Более количественное понимание эффекта Пельтье можно получить используя некоторые приблизительные коэффициенты Пельтье. Рассмотрим снова спектры на рисунке 6.37. В полупроводнике n-типа каждый Электрон проводимости имеет энергию на единицу заряда около


    Здесь в знаменателе — заряд электрона, а в числителе — энергия внизу зона проводимости.Предполагалось, что типичный электрон в зона проводимости имеет дополнительную случайную тепловую энергию, равную классическое значение. Далее химическая потенциал, или уровень Ферми, был принят за нулевой уровень энергия.

    Причина использования последнего связана с тем, что в тепловое равновесие, все соприкасающиеся твердые тела имеют одинаковый химический состав потенциал. Это делает химический потенциал удобным справочным материалом. уровень энергии.Идею можно описать графически в терминах спектры рисунка 6.37. В спектрах химическая потенциал обозначен красными галочками на вертикальных осях. Теперь снова рассмотрим изменение энергии при переносе электронов между материалы n- и p-типа. Что определяет это как электроны n-типа намного выше по энергии, чем химический потенциал и сколько электронов помещают в p-тип отверстия ниже, чем это.(Предполагается, что ток остается небольшим достаточно, чтобы химические потенциалы в двух полупроводниках оставались уровень. В противном случае теоретическое описание стало бы намного больше. сложно.)

    Как видно из этого рисунка, для отверстий в р-типе полупроводник, энергию следует считать возрастающей вниз в электронном спектре. Для создания дыры требуется больше энергии. поднимая электрон на уровень Ферми, если дырка находится ниже спектр.Следовательно, коэффициент Пельтье для p-легированного полупроводник


    где — энергия электрона на вершине валентной группа. Поскольку дырки действуют как положительно заряженные частицы, Пельтье Коэффициент полупроводника p-типа положительный. На с другой стороны, коэффициент Пельтье полупроводника n-типа отрицательно из-за отрицательного заряда в знаменателе.

    Обратите внимание, что обе формулы являются приблизительными.Тепловая энергия увлекаемый током — это не просто тепловое равновесие распределение энергии электронов. Средняя тепловая кинетическая энергия на текущий носитель, который будет использоваться, оказывается несколько отличным от . Течение также связано с потоком фононы; их энергия должна быть добавлена ​​к тепловой энергии, которая переносится непосредственно электронами или дырками, {A.11}. Подобные вопросы выходят далеко за рамки данной книги.

    Однако интересно сравнить приведенные выше ориентировочные значения полупроводников. к одному для металлов:


    Этот приблизительный результат исходит из предположения о спектре газа свободных электронов, {A.11}. Конечное соотношение легко понять как классическая тепловая кинетическая энергия на единицу заряда . Отношение перед ним — это тепловая энергия, деленная на энергия Ферми. Как обсуждалось в разделе 6.10 эта дробь намного меньше единицы. Его присутствие можно понять из принципа исключения: как показано на Рисунок 6.15, только небольшая часть электронов улавливает тепловая энергия в металле.

    Приведенный выше пример подразумевает, что коэффициент Пельтье металла равен намного меньше, чем у легированного полупроводника. Однако следует Следует отметить, что хотя приблизительная оценка дает приблизительный порядок величины коэффициентов Пельтье металлов они, как правило, заметно больше.Хуже того, существует довольно много металлов, у которых коэффициент Пельтье положительно, в отличие от приведенного выше.

    В некоторой степени нижние коэффициенты Пельтье металлов равны компенсируется их большей электропроводностью. А безразмерную добротность можно определить для термоэлектрических материалы как, {A.11}:


    где — типичная рабочая абсолютная температура.Эта фигура показывает, что большой коэффициент Пельтье — это хорошо, квадратично так, но такова большая электропроводность и низкая теплопроводность. К сожалению, металлы также хорошо проводят тепло.

    Ключевые точки

    В эффекте Пельтье ток вызывает охлаждение или нагрев когда он проходит через область контакта между двумя твердыми телами.
    Выделяемое тепло пропорционально току и разность коэффициентов Пельтье материалов.
    Соединения между противоположно легированными полупроводниками работают хорошо.


    6.28.2 Эффект Зеебека

    Термоэлектрическое измерение температуры и выработка электроэнергии могут быть достигается за счет так называемого эффекта Зеебека . Это в некотором смысле противоположность эффекту Пельтье предыдущего подраздел.

    Рассмотрим конфигурацию, показанную на рисунке 6.38. Блоки Легированные полупроводники n-типа и p-типа электрически соединены на их вершинах с помощью медной ленты. Медные полосы также прикреплены к днищам полупроводниковых блоков. В отличие от устройство Пельтье, внешний источник напряжения не подключается. в чистый эффект Зеебека, нижние полосы электрически не соприкасаются вообще.Значит тока через устройство нет. Это то, что есть называется конфигурацией с разомкнутой цепью.

    Рисунок 6.38: Пример генератора напряжения Зеебека.

    Для достижения эффекта Зеебека тепло от внешнего источника тепла добавили к верху медную полосу. Это нагревает его. Тепло допускается сбежать с нижних полосок, скажем, в охлаждающую воду. Этот тепловой поток Картина полностью противоположна той, что была у кулера Пельтье.Если тепло уходит из полосок вашего кулера Пельтье на холодной стороне, он растопит ваши кубики льда.

    Но для охладителя Пельтье требуется внешнее напряжение, подаваемое на держите устройство работающим. С Зеебеком происходит обратное. генератор рисунка 6.38. Само устройство превращается в электроснабжение. Самопроизвольно возникает разность напряжений. между двумя нижними полосами.

    Эта разница напряжений может использоваться для определения температуры верхняя медная полоса, предполагая, что нижние полосы находятся на известная температура.Устройство, измеряющее таким образом температуру, — это называется «термопара».

    В качестве альтернативы вы можете извлечь электрическую мощность из напряжения разница между двумя нижними выводами. В этом случае Зеебек устройство действует как «термоэлектрический генератор». Конечно, для извлечения мощности вам понадобится чтобы позволить течь течь. Это снизит напряжение ниже чистая ценность Зеебека.

    Не так-то просто описать, почему устройство работает физически.К понять основную идею, рассмотрим произвольную точку P в Полупроводник n-типа, как показано на рисунке 6.38. Представьте, что вы стоите в этой точке, уменьшившись до микроскопических размеров. габариты. Из-за случайного теплового движения электроны проводимости приходят в вы случайно как сверху, так и снизу. Однако те, кто прибывает из выше более горячие, поэтому они приближаются к вам с большей скоростью. Следовательно, если предположить, что все остальное то же самое, существует чистый электрон ток вниз в вашем местоположении.Конечно, так продолжаться не может, потому что он перемещает отрицательный заряд вниз, заряжая нижнюю часть устройство отрицательное, а верхнее положительное. Это создаст электрический поле, которое замедляет движение горячих электронов и ускоряет холодные электроны поднимаются вверх. Градиент напряжения, связанный с этим электрическое поле — это эффект Зеебека, {A.11}.

    В эффекте Зеебека постепенное изменение температуры в материал вызывает соответствующее изменение заданного напряжения от:


    Нижний индекс указывает на то, что внутренняя химическая потенциал материала должен быть включен в дополнение к электростатический потенциал.Другими словами, полный химический потенциал на единицу электрона обвинение. Константа — это коэффициент материала, зависящий от материал и температура.

    Этот коэффициент иногда называют «коэффициентом Зеебека». Однако обычно его называют термоЭДС »или« термоЭДС. Эти названия намного лучше, потому что коэффициент Зеебека описывает напряжение холостого хода, при котором не вырабатывается мощность.Он имеет единицы компании V / K. Весело наблюдать за растерянными лицами ненавистных неспециалисты, когда физик с серьезным лицом описывает то, что не является и не может быть такой силой, как термоЭДС.

    Произведенное сетевое напряжение представляет собой интегрированное полное изменение напряжения длины двух материалов. Если это температура верхней и нижней, сетка напряжение можно записать как:

    (6.40)

    Это напряжение, которое будет отображаться на вольтметре, подключенном между нижние полоски. Обратите внимание, что нет необходимости использовать химикат. потенциал в этом выражении: так как нижние полосы оба являются медью и имеют одинаковую температуру, их внутренняя химическая потенциалы идентичны.

    Приведенное выше уравнение предполагает, что медные полоски хорошо проводят тепло. достаточно, чтобы их температура была постоянной (или, альтернативно, чтобы материалы A и B находятся в непосредственном контакте друг с другом наверху края и с вольтметром на их нижних краях).В противном случае вы нужно будет добавить интеграл по меди.

    Обратите внимание на приведенное выше уравнение, что, учитывая температуру нижних планок напряжение зависит только от температуры верхней полосы. На рисунке 6.38 подробный способ изменения температуры с высотой не важен, просто конечными значениями являются и. Это отлично подходит для ваше приложение термопары, потому что напряжение, которое вы получаете только зависит от температуры на кончике термопары, которую вы хочу измерить.Это не зависит от подробностей распределение температуры в двух выводах, идущих к наконечнику и от наконечника. (Пока свойства материала в выводах остаются постоянными, это является. Температурная зависимость коэффициентов Зеебека не является определяющей. проблема.)

    Рисунок 6.39: Скачок потенциала Гальвани на контактной поверхности не производят полезного напряжения.

    Иногда это предлагают, даже те, кто наверняка знает лучше, например [22, с.14-9], что потенциал Зеебека обусловлен скачками в потенциале на контактных поверхностях. Чтобы объяснить идею, рассмотрим рисунок 6.39. На этом рисунке материалы A и B были подключен напрямую, чтобы упростить идеи. Оказывается, что средний электростатический потенциал внутри материала A непосредственно перед поверхность контакта с материалом B отличается от среднего электростатический потенциал внутри материала B сразу после контактная поверхность.Разница называется потенциалом Гальвани. Это возникает из-за двойного зарядового слоя, который существует на контактной поверхности между разными твердыми телами. Этот слой заряда развивается, чтобы гарантировать, что химические потенциалы одинаковы по обе стороны от контакта поверхность. Равенство химических потенциалов на контактных поверхностях есть требование теплового равновесия. Электростатические потенциалы могут быть разные.

    Если вы попытаетесь измерить этот потенциал Гальвани напрямую, как с нижний вольтметр на рисунке 6.39, вы проиграли. Причина в том что есть также скачки потенциала Гальвани между материалами A и B и провода вашего вольтметра. Предположим для простоты, что отведения Оба вольтметра сделаны из меди. Потому что химический потенциалы попарно равны на контактных поверхностях, все четыре химические потенциалы одинаковые, в том числе два в вольтметре приводит. Таким образом, фактический вольтметр не может обнаружить никакой разницы. между двумя выводами и дает нулевое значение.

    Теперь рассмотрим верхний вольтметр на рисунке 6.39. Этот вольтметр действительно измеряет напряжение. Также в этом случае контакт поверхности между выводами вольтметра и материалами A и B являются при температуре, отличной от температуры поверхности контакта между материалами A и B. поэтому иногда делается предположение, что изменения в Galvani потенциалы из-за разницы температур производят измеренные напряжение.Это очень четко объяснило бы, почему только измеренное напряжение зависит от температуры контактных поверхностей. Не на подробные распределения температуры по длине материалов.

    Это может быть аккуратно, но, к сожалению, это также все неверно. Дело в том, что зависимость от распределения температуры выпадает из конечной Результат — просто математическое совпадение. Пока изменения в собственный химический потенциал можно игнорировать, потенциал Гальвани сумма скачков все равно равна нулю.Не к измеренному потенциалу. В конце концов, в этом случае изменение напряжения по длине материалов составляет так же, как меняется химический потенциал. И потому что они уже суммировать с измеренным напряжением, на Гальвани ничего не остается прыгает. Рассмотрим, например, модель металлов с газом свободных электронов. Хотя его внутренний химический потенциал действительно меняется с температурой, {D.62}, это изменение составляет лишь треть от потенциальное изменение, вызванное коэффициентом Зеебека, приведенным в приложении {А.11}. Потенциальные изменения Гальвани тогда в сумме составляют только треть измеренного потенциала. Нет, частичного кредита нет.

    Рисунок 6.40: Эффект Зеебека не поддается непосредственному измерению.

    Следует также отметить, что эффект Зеебека материала не поддается непосредственному измерению. На рис. 6.40 показан попытка непосредственно измерить эффект Зеебека материала А.К сожалению, единственное, что меняется по сравнению с цифрой 6.39 заключается в том, что два вывода вольтметра принимают на себя место материала B. Если два вывода не прикреплены к точкам равные температуры, они являются активной частью общего эффекта Зеебека измеряется. (Сверхпроводники должны иметь коэффициент Зеебека нуль. Однако обнаружение сверхпроводников, которые все еще остаются сверхпроводниками если они находятся в тепловом контакте с реальными температурами, очевидная проблема.)

    Кельвин обнаружил, что можно найти коэффициент Зеебека из коэффициента Пельтье просто на деление на абсолютную температуру. К сожалению, Пельтье коэффициент также не поддается непосредственному измерению. Его эффект тоже требует наличия второго материала для сравнения. Оно делает показывают, однако, что хорошие материалы для эффекта Пельтье также являются хорошие материалы для эффекта Зеебека.

    Вы можете задаться вопросом, где заряды, которые переходят между горячим и холодные стороны в эффекте Зеебека заканчиваются. В тепловом равновесии внутренние части твердых тел должны оставаться свободными от чистого электрического заряда, или ток будет развиваться, чтобы устранить разницу в заряде. Но в Эффект Зеебека, твердые тела не находятся в тепловом равновесии. это поэтому несколько удивительно, что внутренности действительно остаются свободными от сетки обвинение.По крайней мере, это так, если колебания температуры небольшие. достаточно, {A.11}. Итак, заряды, которые передаются между горячими и холодный, и, таким образом, вызвать разность потенциалов Зеебека, в конечном итоге на поверхности твердых тел. Не в интерьере. Даже в Эффект Зеебека.


    Ключевые точки

    Эффект Зеебека создает полезное напряжение в зависимости от температуры различия.
    Для электрического контакта требуются два разных материала. установите разницу температур.
    Напряжение — это разница интегралов Зеебека. коэффициенты двух материалов по температуре.
    Коэффициент Зеебека обычно называют термоЭДС, потому что он это не сила.


    6.28.3 эффект Томсона

    Эффект Томсона »или« тепло Кельвина, описывает тепловыделение в материале при прохождении через него тока. Это тепловыделение можно измерить напрямую. Это не похоже на Пельтье и эффекты Зеебека, для которых только чистый эффект двух различных материалы можно измерить. Поскольку коэффициенты Пельтье и Зеебека может быть вычислен из эффекта Томсона, в принципе эффект Томсона позволяет найти все три термоэлектрических коэффициента без с участием второго материала.

    Томсон, впоследствии ставший лордом Кельвином, показал, что чистая энергия накопление на единицу объема в стержне материала при текущем через него можно записать как:

    (6,41)

    Вот положение на полосе, это температура, это ток на единицу площади, и — тепловые и электропроводность. Первый член в правой части представляет собой накопление тепла из-за закона теплопроводности Фурье.В второй член — это джоулев нагрев, который удерживает ваш резистивный нагреватель. рабочий. Последний член — термоэлектрический эффект Томсона или Кельвиновское тепло. (Термин эффект Кельвина не используется потому что он уже широко используется для чего-то другого.) Коэффициент называется «коэффициентом Кельвина» или «коэффициентом Томсона». Вывод из общих уравнений термоэлектриков приведено в приложении {A.11}.

    Можно отметить, что для устройств, в которых есть эффект Томсона. важно, введенный ранее добротность становится меньше значимый.В таких случаях второе безразмерное число на основе коэффициент Кельвина также повлияет на производительность устройства.

    Два других термоэлектрических коэффициента могут быть вычислены из Кельвин с использованием отношений Кельвина или Томсона {A.11}:

    (6,42)

    Интегрируя относительно, вы можете найти коэффициент Зеебека и от него коэффициент Пельтье.

    Это, конечно, требует, чтобы вы нашли коэффициент Кельвина над полный температурный диапазон. Но вам нужно сделать это только для одного материал. Как только вы точно знаете термоэлектрический коэффициенты для одного материала, вы можете использовать это как ссылку материал, чтобы найти коэффициенты Пельтье и Зеебека для каждого другого материал. Свинец обычно используется в качестве справочного материала, так как он относительно низкие термоэлектрические коэффициенты.

    Конечно, если окажется, что данные на вашем справочном материале не так точны, как вы думали, было бы очень плохо Новости. Это повлияет на точность термоэлектрических коэффициентов. любого другого материала, который вы нашли с помощью этого справочного материала. Прогнозирование вероятности того, что такое может случиться, для свинца. можно вывести из так называемого закона Мерфи.


    Ключевые точки

    Эффект Томсона или тепло Кельвина описывает внутреннюю нагрев материала при протекании через него тока.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *