зачем при получении термоэдс необходимо поддерживать температуру спаев различной
Термоэлектрический эффект Зеебека: что это такое? Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы
Если два бруска изготовленных из разных металлов плотно прижать друг к другу, то на их контакте сформируется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов.
Данное явление обусловлено различием в величинах работ выхода электронов из металла, характерных для каждого из двух контактирующих металлов. Работой выхода электронов из металла (или просто работой выхода) называют работу, которую необходимо затратить на то, чтобы переместить электрон из поверхности металла в окружающий вакуум.
Практически, чем больше значение работы выхода — тем меньше вероятность того, что электроны смогут перейти границу раздела. В результате получается, что на той стороне контакта, где находится металл с большей (!) работой выхода скапливается отрицательный заряд, а на стороне металла с меньшей работой выхода — положительный.
Итальянский физик Алессандро Вольта наблюдал это явление и описал его. Из опыта он вывел два закона, известных сегодня как законы Вольта.
Первый закон Вольта звучит так: на контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев.
Второй закон Вольта: разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре.
Приведя в контакт два разных металла с работами выхода А1 и А2, будем наблюдать избыточный переход электронов из второго металла, с меньшей работой выхода, в первый металл, работа выхода из которого больше.
В результате этого перехода концентрация (n1) электронов в первом металле увеличится по сравнению с концентрацией электронов во втором металле (n2), что как раз и породит обратный избыточный диффузный поток электронного газа, направленный противоположно потоку, обусловленному различием работ выхода.
В состоянии равновесия на границе двух металлов установится следующая разность потенциалов:
Значение установившейся разности потенциалов можно определить так:
Данное явление, при котором возникает контактная разность потенциалов, очевидно зависящая от температуры, именуется термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. На эффекте Зеебека основана работа термопар и термоэлектрических генераторов.
Термопара состоит из двух спаев двух разных металлов. Если один из спаев поддерживать при более высокой температуре чем другой, то на выводах термопары возникнет термоЭДС:
Термопары служат для измерения температуры, а батареи, набранные из множества термопар, могут применяться в качестве источников ЭДС и даже термоэлектрических генераторов.
В термоэлектрическом генераторе при нагревании спая двух разных металлов, между свободными выводами, находящимися при более низкой температуре, возникает термоэлектрическая разность потенциалов или термоЭДС. И если замкнуть такую цепь на сопротивление, то в цепи потечет ток, то есть будет происходить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую.
Коэффициент термоЭДС, как говорил Вольта, зависит от природы металлов входящих в данную термопару. Значения термоЭДС для разных термопар измеряются в микровольтах на градус.
Если взять проводник в форме кольца, составленный из двух разных металлов А и Б, соединенных в двух местах, и нагреть одно из мест соединения до температуры Т1, так чтобы температура Т1 получилась больше чем Т2 (температура второго соединения), то в горячем контакте ток будет направлен из металла Б в металл А, а в холодном — из металла А в металл Б. ТермоЭДС металла А считают в этом случае положительной относительно металла Б.
Все известные металлы обладают собственными значениями коэффициентов термоЭДС, их можно расположить последовательно в столбец, так чтобы каждый металл показывал положительную термоЭДС по отношению к нижеследующему.
Вот, например, список термоЭДС (выраженных в милливольтах), которые получатся при соединении указанных металлов в паре с платиной при разности температур контактов в 100 градусов:
С помощью приведенных данных можно определить, какая термоЭДС получится если соединить, например, медь с алюминием и поддерживать разность температур контактов в 100 градусов. Достаточно вычесть меньшее значение термоЭДС из большего. Так, пара медь-алюминий при разнице температур в 100 градусов даст термоЭДС равную 0,74 — 0,38 = 0,36 (мВ).
Термоэлектрические генераторы на чистых металлах не эффективны (их КПД около 1%), поэтому они не получили широкого распространения. Однако стоит отметить полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, показывающие КПД до 7%.
Подобные устройства применимы в качестве альтернативных источников энергии на удаленных объектах: маяках, метеостанциях, космических аппаратах, навигационных буях, активных ретрансляторах, станциях антикоррозийной защиты нефте- и газопроводов.
Главные преимущества термоэлектрических генераторов заключаются в отсутствии движущихся частей, бесшумной работе, сравнительно небольших размерах и простоте настройки. Однако главный их недостаток — чрезвычайно низкий КПД в районе 6%, нивелирует эти достоинства.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона
Работа термоэлектрических холодильных машин и генераторов базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.
Термоэлектрические свойства проводников обусловлены связями между тепловыми и электрическими потоками:
Эффект Зеебека, Пельтье и Томпсона относятся к числу кинетических явлений. Они связаны с процессами перемещения заряда и энергии, поэтому их часто называют явлениями переноса. Направленные потоки заряда и энергии в кристалле порождаются и поддерживаются внешними силами: электрическим полем, градиентом температуры.
Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т1 (горячий спай), а на другом температуру Т2 (холодный спай), то при условии Т1 не равна Т2 на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.
При наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает термодиффузионный поток носителей заряда от горячего конца к холодному. Если электрическая цепь разомкнута, то носители накапливаются на холодном конце, заряжая его отрицательно, если это электроны, и положительно в случае дырочной проводимости. При этом на горячем конце остается нескомпенсированный заряд ионов.
Возникающее электрическое поле тормозит носители, движущиеся к холодному концу, и ускоряет носители, движущиеся к горячему. Формируемая градиентом температуры неравновесная функция распределения смещается под действием электрического поля несколько деформируется. Результирующее распределение таково, что ток равен нулю. Напряженность электрического поля пропорциональна вызвавшему его градиенту температуры.
Величина коэффициента пропорциональности и его знак зависят от свойств материала. Обнаружить электрическое поле Зеебека и измерить термоэлектродвижущую силу можно лишь в цепи, составленной из разнородных материалов. Контактные разности потенциалов соответствуют разнице химические потенциалов материалов, приведённых в контакт.
Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока).
Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).
Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты.
Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному.
На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает.
Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.
Практическое применение эффекта Томсона не нашел, но его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.
Практическое использование эффектов Зеебека и Пельтье
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Зачем при получении термоэдс необходимо поддерживать температуру спаев различной
Зеебека эффект с комментариями.
Возникновение эдс (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах
Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток IT), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1).
Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов
Термоэдс контура определяется формулами:
В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0 ° С ¸ 100 ° С):
Термоэдс обусловлена тремя причинами:
1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;
2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс;
Рассмотрим первую причину. Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс ( 
):
;
,
Для свободных электронов a к должно линейно меняться с температурой.
Возникновение термоЭДС в однородном материале в следствиии пространственной неоднородности температуры
Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.
В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.
Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.
В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.
Необходимо отметить, что «фононное» и «диффузное» слагаемые термоэдс имеют один и тот же знак, в то время как контактная термоэдс, как правило, противоположна им по знаку.
.
Считая, что зависимость проводимости металлов ( s ) от энергии (Е) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:
.
Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей. В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому термоэдс «классических» металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников a может превышать 1000 мкВ/К.
Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0 ° С ¸ 100 ° С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).
Эффект Зеебека
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.
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.