No Image

Эффект зеебека и пельтье

СОДЕРЖАНИЕ
2 просмотров
22 января 2020

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.

Читайте также:  Создание эмоджи на айфоне

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.

Чудо — Рациональность — Наука — Духовность

Ж ИЗНЕННЫЙ ПУТЬ — это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Наш сайт доступен

52 языках

Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.

может быть ваша реклама —> —>.

Зеебека эффект 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 I T ), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1).

Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Цепь, составленная из двух различных проводников ( М1 , М2 ), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви — термоэлектродами.

Величина термоэдс ( e Т ) зависит от абсолютных значений температур спаев ( T A , T B ), разности этих температур D T и от природы материалов, составляющих термоэлемент.

Термоэдс контура определяется формулами:

.

Здесь a 12 — коэффициент термоэдс металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину a измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами.

Значения коэффициентов термоэдс металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно a 1 и a 2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда a 12 = a 1 — a 2 .

В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0 ° С ё 100 ° С):

e Т = a 12 ( T A — T B ) = a 12 D T .

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением a к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо ( М1 ) — константан ( М2 ) абсолютные коэффициенты термоэдс соответственно равны: a 1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и a 2 = -38.0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1 ). Именно эта ситуация (когда a 2 a 1 ) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 1.

Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур. В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака a .

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;

3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую — фононную.

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 ( ):

;

,

где E F — энергия Ферми;

к — постоянная Больцмана;

е — заряд электрона.

Для свободных электронов a к должно линейно меняться с температурой.

Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле Е Т , направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 2).

Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствиии пространственной неоднородности температуры

Напряженность возникающего термоэлектрического поля определяется градиентом температуры вдоль образца ( Е Т = aЧ dT / dx ), а разность потенциалов (термоэдс) — разностью температур ( Dj Т = aD Т ).

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.

Третий источник термоэдс — эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим.

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.

Строгий вывод термоэдс из кинетического уравнения достаточно сложен. Вообще, причина всех термоэлектрических явлений — нарушение теплового равновесия в потоке (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от ее значения на уровне Ферми). Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа) имеет вид:

.

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 ё 100 ° С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом. Эффект, обратный эффекту Зеебека, называется эффектом Пельтье.

Содержание

История [ править | править код ]

Данный эффект был открыт в 1821 Т. И. Зеебеком. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. [1]

Описание [ править | править код ]

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( T 1 > ) и холодного ( T 2 > ) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС E можно считать пропорциональной разности температур:

E = α 12 ( T 2 − T 1 ) , (T_<2>-T_<1>),> где α 12 <12>> — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры α 12 > меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

E = ∫ T 1 T 2 α 12 ( T ) d T . >=int limits _>^>alpha _<12>(T)dT.>

Величина термо-ЭДС составляет единицы милливольт на 100°С разности температур спаев. Например, пара медь-константан даёт 4,28 мВ/100°С, хромель-алюмель — 4,1 мВ/100°С [2] .

Объяснение эффекта [ править | править код ]

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Объёмная разность потенциалов [ править | править код ]

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Контактная разность потенциалов [ править | править код ]

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

U = F 2 − F 1 e -F_<1>>>> , где F — энергия Ферми, e — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F 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 Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е 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.

Фононное увлечение [ править | править код ]

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термо-ЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

Магнонное увлечение [ править | править код ]

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термо-ЭДС, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

«>

Комментировать
2 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector