Что называют термоэлектрическим эффектом
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:
Термоэлектрический эффект и его применение на практике
Термоэлектрические явления являются одними из наиболее изучаемых процессов в современной физике. Это обусловлено тем, что длительное время люди не имели достаточного уровня развития технологий для реализации многих схем. Преобразование тепловой энергии в электричество особенно актуально для стран с мощной вулканической активностью на их территории. Сейчас наиболее продвинутым государством в этом плане является Исландия, опоясанная кольцом огненных гор. Они даже позволяют себе отапливать тротуары при помощи трубчатых нагревательных элементов. Электроэнергия у них может стать практически бесплатным ресурсом для населения в течение следующих 10 лет. Энергетики бурят скважины до лавы, а затем вставляют туда мощные термопары. Таких вулканических электростанций они строят десятки и сотни.
Общие сведения
В общем понимании термическая электрика это смесь всех физических взаимодействий, которые происходят в результате теплового воздействия на металлы и полупроводники при условии постоянного выделения электричества. В некоторой степени все они используют одинаковый принцип. Тепловое равновесие активно нарушается, поэтому электроны начинают вырабатывать в потоке энергию Ферми. Концентрация электронов и плотность их потока является базовой величиной при всех вычислениях.
Три основных эффекта
В данные момент существует множество частных случаев, но при этом изучению подлежат только три базовых направления, получивших названия по именам открывших их учёных:
Все три типа явлений имеют определенные отличия, обязательные к учёту при проектировании электрических машин, основанных на выработке тока из тепловых калорий. Регулярное появление сложных многокомпонентных материалов только расширяет поле деятельности для учёных. Также этому способствует молекулярная структуризация.
Применение в будущем
Солнечные батареи можно довести до КПД близкого к 100%. В данный момент эксперты называют ориентировочную цифру в 95, а оставшееся количество будет списано на потери при передаче конечному потребителю. Сейчас установленные в пустынях солнечные электростанции могут разогреваться до 150 градусов по Цельсию на поверхности, но это тепло никуда не используется, оно полностью уходит в воздух холодными ночами. Если эту энергию использовать в дело, то эффективность резко повысится на 300-500%, что сделает данный альтернативный источник надежным подспорьем атомной энергетике.
Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека
Главная страница » Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека
Термоэлектрические явления стали известны благодаря таким открытиям, как эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона. Термоэлектрические устройства позволяют получить электрическую энергию путём преобразования инфракрасных фотонов в ток. Преимущества использования таких устройств в области производства электроэнергии очевидны и многообразны. Фактически тепловая энергия доступна повсеместно за некоторым исключением, а для выработки электроэнергии достаточно иметь разность температур ΔT.
Термоэлектрические устройства и преимущественные стороны
Практика показывает: солнечная энергия доступна только в ясные дни, гидравлическая энергия требует водных источников, электрические генераторы требуют ископаемого топлива (нефть, уголь, природный газ). В свою очередь, тепловая энергия в некоторых случаях остаётся практически неисчерпаемой, тем более в условиях низкого энергопотребления.
Например, термоэлектрические устройства могут использовать тепло тела человека, обеспечивая неограниченное время работы некоторых медицинских систем. Среди возможных примеров:
Другое явное преимущество заключается в том, что термоэлектрические устройства представляют надёжные конструкции, не требуют обслуживания, не используют движущиеся части или жидкости. Здесь налицо прямое преобразование энергии.
Термоэлектрический эффект допустимо применять в самых разных случаях. Среди примеров:
При этом возможна рекуперация потраченной впустую тепловой энергии от солнечных батарей, двигателей, заводских или других систем отвода тепла. Преимущества применения термоэлектрических устройств в биомедицине легко объяснить лёгким весом, возможностью обеспечивать неограниченную мощность от тепла тела, безопасностью использования, стабильностью и надежностью.
Каким явлением отмечается эффект Зеебека?
Немец по происхождению — Томас Иоганн Зеебек, изучавший физику, в рамках проводимых экспериментов отметил интересное явление. В условиях соединения пары разных материалов, в точке соединения при разных температурах проявляется разница электрических напряжений. Немецким физиком было также обнаружено, что получаемые электрические напряжения пропорциональны разнице температур. Это физическое явление впоследствии получило определение — эффект Зеебека.
Схематичный пример наглядно показывает эффект Зеебека, выражающийся получением напряжения от разницы температур на переходах спая двух разных материалов
Таким образом, отношение генерируемого напряжения к градиенту температуры определяется внутренними свойствами материала. То есть имеет место тот самый коэффициент Зеебека, который можно выразить формулой:
S = — ΔV / ΔT
Разница температур приводит к перемещению подвижных носителей заряда (электронов или дырок) в область холодного спая и остатку противоположно заряженных и неподвижных ядер в области горячего спая. Движение заряда приводит к повышению термоэлектрического напряжения. Создаваемое термоэлектрическое напряжение, соответственно, определяется уравнением:
где SA и SB — коэффициенты Зеебека материалов A и B, соответственно, а ∆T — разность температур между переходами.
Каким явлением отмечается эффект Пельтье?
Кроме отмеченного выше эффекта, термоэлектрическим устройствам присущ также эффект Пельтье. Этим эффект характеризуется электрический ток, проходящий через соединение двух разнородных материалов, в концепции генерации или поглощения тепла, что определяется направлением тока. Эффект Пельтье обусловлен разницей энергий Ферми двух материалов. Теплота Пельтье, поглощаемая или отклоняемая переходом, определяется математическим уравнением:
где ПА и ПВ — коэффициенты Пельтье для материалов A и B, соответственно, I — ток, пропускаемый через материалы.
Фактически коэффициент Пельтье определяет количество тепла, поглощаемого материалом при прохождении через материал электрического тока.
Каким явлением отмечается эффект Томсона?
Не менее важным для термоэлектрических устройство отмечается также эффект Томсона. По сути, здесь имеет место комбинация эффекта Зеебека и эффекта Пельтье. Это физическое явление обнаружил британский физик Уильям Томсон (1854 год).
Для этого явления характерным моментом видится то, что любой проводник тока с разницей температур между двумя точками, либо поглощает, либо излучает тепло в зависимости от свойств материала. Поглощенное или испускаемое тепло характеризуется теплотой Томсона (Q) и определяется математическим уравнением:
Q = (pJ 2 – µ*J) * ∆T / dx
где ρ — удельное сопротивление материала, ∆T /dx — градиент температуры вдоль проводника, J — плотность тока, μ* — коэффициент Томсона.
Математический член ρJ2 в данном случае определяет джоулевый нагрев (необратимый), тогда как второй математический член µ*J — томсоновский нагрев, знак которого меняется с направлением электрического тока.
Анализ поведения на термоэлектрические устройства
С целью оценки характеристик термоэлектрических материалов в обращение введена так называемая безразмерная единица добротности. Показатель добротности определяется уравнением:
ZT = ꝍS 2 T / k
где σ, S, k – это электропроводность, коэффициент Зеебека, теплопроводность материала, соответственно.
Следовательно, качественный термоэлектрический материал должен иметь высокие значения, как электропроводности, так и коэффициента Зеебека, но низкие значения теплопроводности.
Высокая электрическая проводимость уменьшает джоулевую теплоту и увеличивает генерируемое термоэлектрическое напряжение. Одновременно низкая теплопроводность способствует снижению передачи тепла между спаями. Термоэлектрическое устройство состоит, как правило, из термоэлектрических пар, содержащих материалы p-типа и n-типа.
Пример на современные термоэлектрические устройства: 1 — торцевая крышка; 2 — биметаллическая заглушка заправочной горловины; 3 — точка подъёма GSE; 4 — корпус алюминий; 5 — рёбра охлаждения; 6 — термоэлектрический модуль; 7 — интерфейс платы GPHS; 8 — торцевая крышка; 9 — изоляция; 10 — разъём в сборе; 11 — источник тепла; 12 — петля охлаждения; 13 — источник тепла линии изоляции; 14 — гелевый вентилятор; 15 — воздуходувные меха
Обладающий большим коэффициентом Зеебека материал, обычно имеет высокую эффективную массу и низкую концентрацию носителей. Именно по этой причине полупроводники имеют большие коэффициенты Зеебека по сравнению с металлами.
Выбор термоэлектрического материала зависит от добротности, которая, в свою очередь, зависит от коэффициента Зеебека и проводимости. Металлы обладают высокой электропроводностью, но имеют относительно низкий коэффициент Зеебека, что сопровождается низкой добротностью.
Следовательно, металлы нельзя считать удачными материалами для термоэлектрических устройств. С другой стороны, изоляторы обладают высоким коэффициентом Зеебека, но демонстрируют крайне низкую электропроводность. Это также сопровождается малой добротностью, что делает изоляторы непригодными для термоэлектрических устройств.
Между тем, полупроводники, в отличие от изоляторов и металлов, обладают высокими показателями добротности. Обусловлено это, как высокой электропроводностью полупроводников, так и относительно высоким коэффициентом Зеебека. Таким образом, полупроводники следует рассматривать наиболее подходящими элементами термоэлектрических устройств.
При помощи информации: NIU
КРАТКИЙ БРИФИНГ
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.