Явление зеебека. Эффект Зеебека: физическое явление и его применение в термоэлектрических устройствах

Что такое эффект Зеебека. Как возникает термоЭДС в проводниках и полупроводниках. Какие существуют практические применения эффекта Зеебека. Как работают термопары и термоэлектрические генераторы.

Что такое эффект Зеебека и как он был открыт

Эффект Зеебека — это физическое явление, заключающееся в возникновении электродвижущей силы (термоЭДС) в электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Данный эффект был открыт немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году.

Зеебек обнаружил, что если соединить два различных металла в замкнутую цепь и нагреть место их соединения, то в цепи возникает электрический ток. Изначально ученый назвал это явление «термомагнитным эффектом», так как наблюдал отклонение магнитной стрелки вблизи такой цепи. Позднее было установлено, что причиной отклонения стрелки является именно возникающий электрический ток.

Физическая природа эффекта Зеебека

Возникновение термоЭДС в цепи из разнородных проводников обусловлено несколькими физическими процессами:

• Диффузией носителей заряда от горячего контакта к холодному
• Температурной зависимостью контактной разности потенциалов на границе двух материалов
• Увлечением носителей заряда фононами (квантами колебаний кристаллической решетки)

В металлах основной вклад в термоЭДС вносит диффузия электронов. В полупроводниках существенную роль играют все три механизма. Величина возникающей термоЭДС зависит от свойств используемых материалов и разности температур между контактами.

Коэффициент термоЭДС и его характеристики

Количественной характеристикой эффекта Зеебека является коэффициент термоЭДС (коэффициент Зеебека). Он определяется как отношение возникающей термоЭДС к разности температур между контактами:

α = — ΔV / ΔT

где α — коэффициент термоЭДС, ΔV — возникающая термоЭДС, ΔT — разность температур.

Коэффициент термоЭДС измеряется в вольтах на кельвин (В/К) и зависит от природы контактирующих материалов. Для металлов он составляет десятки микровольт на кельвин, а для полупроводников может достигать нескольких милливольт на кельвин.

Применение эффекта Зеебека в термопарах

Наиболее широкое применение эффект Зеебека нашел в термопарах — приборах для измерения температуры. Термопара состоит из двух соединенных разнородных проводников, образующих два контакта. Один контакт (рабочий) помещается в среду, температуру которой нужно измерить, а второй (холодный) находится при известной опорной температуре.

Возникающая термоЭДС пропорциональна разности температур между контактами. Зная коэффициент термоЭДС для данной пары материалов, можно определить температуру рабочего контакта по измеренному напряжению.

Преимущества термопар как датчиков температуры:

• Широкий диапазон измеряемых температур (от -270°C до +2500°C)
• Высокая точность и чувствительность
• Малая инерционность
• Простота конструкции
• Низкая стоимость

Благодаря этим достоинствам термопары широко используются в промышленности, научных исследованиях и бытовой технике для измерения и контроля температуры.

Термоэлектрические генераторы на основе эффекта Зеебека

Еще одно важное применение эффекта Зеебека — создание термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Это устройства, преобразующие тепловую энергию непосредственно в электрическую за счет наличия разности температур.

Простейший ТЭГ состоит из термопары, к которой подключена нагрузка. При наличии разности температур между контактами в цепи возникает термоЭДС, вызывающая ток через нагрузку.

Основные преимущества термоэлектрических генераторов:

• Отсутствие движущихся частей
• Бесшумность работы
• Высокая надежность
• Компактность
• Возможность работы от низкопотенциальных источников тепла

ТЭГ применяются для утилизации бросового тепла, в космических аппаратах, автомобилях, портативной электронике. Их КПД пока невысок (5-8%), но ведутся работы по повышению эффективности.

Другие применения эффекта Зеебека

Помимо термопар и термоэлектрических генераторов, эффект Зеебека нашел применение в ряде других областей:

• Термоэлектрические охладители (элементы Пельтье)
• Датчики теплового потока
• Детекторы инфракрасного излучения
• Высокочастотные датчики мощности
• Термоэлектрические актуаторы

Эффект Зеебека также используется в научных исследованиях для изучения свойств материалов, в частности, электронной структуры металлов и полупроводников.

Перспективы развития термоэлектрических технологий

Несмотря на то, что эффект Зеебека известен уже 200 лет, исследования в области термоэлектричества продолжаются. Основные направления работ:

• Поиск новых термоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
• Разработка наноструктурированных термоэлектриков
• Создание гибридных термоэлектрических систем
• Повышение КПД термоэлектрических генераторов
• Расширение областей применения термоэлектрических устройств

Развитие термоэлектрических технологий открывает новые возможности для эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую и создания высокоточных температурных датчиков.

Зеебека эффект | это… Что такое Зеебека эффект?

Зе́ебека эффе́кт

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

* * *

ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ

ЗЕ́ЕБЕКА ЭФФЕ́КТ, относится к термоэлектрическим явлениям (

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

В относительно небольшом температурном интервале величина термоЭДС Е пропорциональна разности температур контактов (спаев):
Е » a_Т(Т₂-Т₁).
Коэффициент пропорциональности Т для термопары называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициентом термоэдс, или удельной термоэдс). В общем случае коэффициент пропорциональности Т называется относительной дифференциальной термоЭДС. Его значение зависит от природы соприкасающихся проводников и от температуры. В некоторых случаях с изменением температуры Т меняет знак. Величина Т, называемая также коэффициентом Зеебека, является количественной характеристикой эффекта Зеебека: Т — это электродвижущая сила, возникающая в замкнутой цепи, состоящей из двух металлов, при разности температур между контактами в 1К. Обычно в цепи, состоящей из металлов, величина Т достигает несколько десятков микровольт на Кельвин, в цепи из полупроводников значение Т на два-три порядка выше.
Причина возникновения термотока и термоЭДС заключается в том, что на контактах возникают внутренние контактные разности потенциалов, вызванные различием концентрации носителей. Эти разности потенциалов скомпенсированы до тех пор, пока температуры контактов одинаковы. Как только возникает различие температур контактов, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток, так как компенсация нарушается. Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов или дырок ( см. ДЫРКА) от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Так как вдоль однородного проводника имеется градиент температур, то возникает диффузия носителей: у охлажденного конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока.
В общем случае термоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая составляющая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, вторая — диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, третья составляющая возникает вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии — фононами (см. ФОНОН), поток которых также распространяется к холодному концу. Удельная термоЭДС металлов невелика, и основной вклад в величину термоЭДС в цепи, состоящей из металлов, вносят разности потенциалов.
Для полупроводников основной причиной, вызывающей усиление термотока в эффекте Зеебека, является диффузия носителей. В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остается нескомпенсированный отрицательный заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака термоЭДС). В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоЭДС складываются. В полупроводниках со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то термоЭДС равна нулю.
Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Явление Зеебека широко используется для измерения температур и для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Явление Зеебека

Явление Зеебека

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из двух полупроводников p-и n— типа проводимости, имеющих общий металлический контакт. Полагаем, что материалы поверхностей металлического контакта подобраны таким образом, что работы выхода из металлов покрытий, φ_м, и контактирующих с ними полупроводников, φ_п, одинаковы, то есть  разность  φ_мп=φ_м-φ_п=0. В получившихся контактах отсутствуют слои обогащения или обеднения, нет изгиба зон. Контакты такого рода называют нейтральными.

Энергетическая зонная диаграмма такой цепи в состоянии теплового равновесия  изображена на рис. 6.1. Между электронным и дырочным полупроводниками вследствие различных работ выхода электронов из контактирующих металлов существует потенциальный барьер величиной φ_к, препятствующий диффузии электронов из n-области контакта в p-область и дырок из p-области контакта в n-область. Однако, это не свидетельствует о выпрямляющих свойствах такого контакта, поскольку дрейфовые носители тока, возникающие при подключении внешнего источника с любой полярностью,  туннелируют через тонкие потенциальные барьеры между металлами, преодолевая при этом небольшие потенциальные барьеры, соответствующие энергии ионизации примесных уровней в контактирующих полупроводниках.

В состоянии теплового равновесия общий ток через структуру при подключенной активной нагрузке R_н равен нулю.

Явление, названное в честь первооткрывателя (1821 г.), немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, заключается в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разных материалов, возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), если места контактов поддерживаются при различных температурах Т₁ и Т₂.

В небольшом интервале температур величина термоЭДС, U, пропорциональна разности температур:

U=a(T₂—T₁),                                           (6.1)

где a  — коэффициент термоЭДС, составляющий для Si около 0,5 мВ/К.

Зона электрического соединения ветвей полупроводникового термоэлемента называется спаем. Горячий спай – теплопоглощающий, холодный спай – тепловыделяющий.

Полупроводниковая термобатарея – большое число последовательно соединенных термоэлементов. Термоэлектрический блок – несколько электрически соединенных  полупроводниковых термобатарей, объединенных конструктивно с системой теплообмена.

Схема полупроводниковой термобатареи, состоящей из двух термоэлементов, изображена на рис. 6.2.

Коэффициент термоЭДС, α, складывается из трех составляющих:

α= α_диф+ α_к+ α_фон,                                            (6.2)

где α_диф – составляющая термоЭДС, обусловленная диффузией носителей тока от нагретого спая; α_к – составляющая термоЭДС, обусловленная температурной зависимостью контактной разности потенциалов, возникающей между полупроводниками p— и n— типа проводимости; α_фон — составляющая термоЭДС, возникающая вследствие увлечения носителей заряда квантами тепловой энергии – фононами.

Зонная диаграмма полупроводниковой термобатареи, изображенной на рис. 6.2, с контактами, находящихся при различных температурах, показаны на рис. 6.3.

Появление диффузионной составляющей термоЭДС, α_диф, обусловлено тем, что на нагретых концах ветвей термоэлементов носители тока приобретают дополнительную энергию. Поэтому происходит диффузия основных носителей тока от нагретого конца в каждой ветви термоэлемента к холодному.

Диффузия электронов в отрицательной ветви может происходить только от нагретого конца этой ветви вдоль неё к холодному концу. Она не может происходить в положительную ветвь, поскольку переходу электронов в положительную ветвь препятствует потенциальный барьер нагретого спая термоэлемента (рис. 6.3, температура Т₂). Аналогично, дырки в положительной ветви могут диффундировать вдоль неё от нагретого конца.

Перемещение носителей заряда, связанное с их диффузией, нарушает электрическую нейтральность в ветвях термоэлемента. На нагретых концах ветвей термоэлемента образуется недостаток основных носителей заряда (нескомпенсированные ионизированные примесные атомы), а на противоположных концах образуется избыток основных носителей заряда. Зонная диаграмма «горячего» спая имеет вид, изображенный на рис. 6.3, (температура Т₂).

 

Наклон границ зон показывает уменьшение концентраций основных носителей в горячей области спая, находящейся при температуре Т₂.

Появление контактной составляющей термоЭДС, α_к, является следствием температурной зависимости контактной разности потенциалов в местах контактов p— и n-полупроводников. Контактная разность потенциалов φ_к2 на горячем спае понижается вследствие смещения уровней Ферми в ветвях к середине запрещенной зоны. Зонная диаграмма «холодного» спая, находящегося, например,  при температуре Т₁=300К, имеет вид изображенный на рис. 6.3, б. При нормальной температуре для кремния величина контактной разности потенциалов φ_к составляет около 0,7 В. Контактные разности потенциалов на горячем и холодном спаях направлены в противоположные стороны, причем φ_к1 > φ_к2. Разность

φ_к =φ_к1 — φ_к2

совпадает с полярностью диффузионной составляющей термоЭДС и увеличивает её.

Фононная составляющая термоЭДС, α_фон, возникает в термоэлементе вследствие увлечения носителей заряда квантами тепловой энергии - фононами, движущимися от нагретых концов ветвей.  В результате столкновений фононов с носителями тока фононы увлекают за собой электроны в отрицательной ветви и дырки в положительной ветви.

Коэффициент полезного действия термогенератора определяется из выражения

,                                      (6.3)

где λ=0,16 — коэффициент теплопроводности; a — коэффициент термоЭДС, мВ/К; σ – электропроводность полупроводника, 1/Ом·м.

 

Эффект Зеебека | физика | Британика

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

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

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

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

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

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Викторины

• Электричество: короткое замыкание и постоянный ток

Простое объяснение эффекта Зеебека с его приложениями

Эффект Зеебека в проводниках и полупроводниках был наглядно объяснен, чтобы дать читателю полное понимание. Узнайте, как этот эффект применялся для выработки электроэнергии, разработки тепловых датчиков и некоторых продвинутых областей его применения.

Наблюдение Зеебека

Зеебек заметил, что когда магнитный компас поднесли к петле, соединяющей два проводника, он отклонился. Поскольку Зеебек считал, что это связано с магнитным полем проводников с током, он назвал это термомагнитным эффектом. Позднее Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий через петлю, заставляет магнитную стрелку отклоняться.

Эффект Зеебека является одним из трех основных вариантов, которые можно наблюдать при термоэлектрическом эффекте. Он был назван в честь немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, открывшего явления термоэлектрического эффекта во время своих самостоятельных исследований в 1821 году.

Преобразование разницы температур между двумя непохожими электрическими проводниками или полупроводниками непосредственно в электрический потенциал известно как термоэлектрический эффект. Когда эти проводники с разным потенциалом соприкасаются с помощью электрического соединения, это приводит к потоку заряженных частиц, которые генерируют ток. Обратный случай также применим, когда приложение разности потенциалов к двум разнородным электрическим проводникам приведет к разнице температур на их соединении.

ЭФФЕКТ Зеебека ОБЪЯСНЕНИЕ

▶ В эффекте Зеебека происходит то же явление, и возникает электрический потенциал из-за применения источника тепла. Этот электрический потенциал можно измерить на «горячем» и «холодном» концах соединения.

▶ Рассмотрим два полупроводника, n-типа и p-типа, подключенных к общему источнику теплоснабжения, что повышает температуру подключенного конца. Другие концы этих двух полупроводников имеют относительно низкую температуру, что приводит к температурному градиенту. Электроны на «горячем» конце проводника n-типа получают тепловую энергию от источника. Они заряжаются энергией и текут к «холодному» концу. Таким образом, горячий конец имеет низкую плотность носителей заряда (электроны для n-типа и дырки для p-типа), тогда как холодный конец имеет более высокую плотность носителей заряда. Это распределение зарядов создает электрическое поле в переходе. Когда проводник используется для соединения двух концов соединения, по нему начинают протекать заряды, и возникает электрический ток.

Существуют три формы, в которых может наблюдаться эффект Зеебека.

1. Подключение нагрузки к двум концам приведет к включению нагрузки, а два материала вместе с источником тепла будут действовать как генератор.
2. Если вольтметр подключен к двум концам с помощью проводника, измеренное напряжение можно использовать для определения разницы температур между двумя концами.
3. Другим наиболее распространенным подключением является использование установки в качестве переключателя на другую электрическую установку или цепь и, следовательно, управление ее работой.

ГЕНЕРАТОР SEEBECK

▶ Комбинация двух разнородных проводников, подключенных к источнику тепла и преобразующих его в напряжение для питания нагрузки, называется генератором Зеебека. Его можно использовать для независимой выработки электроэнергии для питания малых нагрузок, т. е. без подключения к нему какого-либо внешнего источника электроэнергии. Тепловой поток от более высокотемпературной части соединения к относительно более холодным частям проводника приводит к температурному градиенту и результирующему тепловому потоку. Частицы, составляющие соединение, заряжаются и начинают двигаться из области с большей плотностью в область с меньшей плотностью. Результирующая разность напряжений из-за потока зарядов ведет себя как источник питания для подключенной нагрузки. Благодаря отсутствию вращающихся частей они находят применение в маломощных удаленных установках.

▶ Известно, что напряжение, создаваемое на проводниках, прямо пропорционально градиенту температуры на них. Константа пропорциональности называется термоЭДС или коэффициентом Зеебека. Другими словами, скорость изменения разности температур к соответствующей скорости изменения производимого напряжения связана с коэффициентом Зеебека.

Математически,

V = – S (Th – Tl)
где, V = разность потенциалов
S = коэффициент Зеебека
Th = температура на горячем конце
Tl = температура на холодном конце

или,

δV = – S (δT)
где, δV = изменение напряжения
δT = изменение разности температур

Коэффициент Зеебека равен в стандартной форме и определяется как величина напряжения, создаваемого между двумя проводниками, когда температура на них поддерживается на уровне 1 Кельвина в течение всего наблюдения, т. е.

S = – В

9014

Существует множество механических и химических свойств, которые меняются в зависимости от изменения температуры. Таким образом, эффект Зеебека при использовании для мониторинга общего изменения температуры с использованием достигнутого электрического потенциала может быть также полезен для изучения или определения этих параметров. К ним относятся испытания прочности материалов, деградации и стойкости к излучению радиоактивных элементов, которые меняются в зависимости от температуры в течение определенного периода времени. Результирующие электрические сигналы от этих термоэлектрических устройств могут использоваться для приведения в действие предохранительных выключателей или сигналов тревоги, чтобы сигнализировать о состоянии.

Термопары – Это термоэлектрическое устройство представляет собой комбинацию как минимум двух различных проводников или полупроводников, используемых для измерения разности температур или повышения температуры путем преобразования результирующего электрического параметра в соответствующую температуру. Его также можно использовать для запуска цепей или клапанов.

Термобатареи – Термобатареи представляют собой ряд термопар, соединенных последовательно (иногда параллельно) для получения полезного напряжения для обеспечения относительно более высоких требований к мощности.

Высокочастотные датчики мощности – Эффект Зеебека оказался полезным для определения точной амплитуды синусоидальных волн. Это помогло обнаружить наличие гиперчастотной мощности, генерируемой в системе, и подать сигнал операторам.