Эффект зеебека

Эффект Зеебека: описание, объяснение и использование

Основной способ добычи электричества в большом количестве в настоящее время осуществляется за счет явления электромагнитной индукции, которое предполагает механическое движение проводника в магнитном поле. Однако существует другой способ получения этого вида энергии: с помощью температуры. Чтобы понять, в чем заключается суть этого процесса, следует рассмотреть эффект Зеебека.

Термоэлектрические процессы

В физике под этой фразой понимают процессы обратимого характера, которые связаны с явлениями переноса заряда (электрический ток) и тепла (теплопроводность). Выделяют три разных термоэлектрических явления, которые связаны между собой. Это эффекты:

  • Зеебека;
  • Пельтье;
  • Томсона (Кельвина).

Отметим, что эффект Джоуля, который заключается в излучении проводником тепла, когда по нему проходит ток, не включен в список выше, поскольку он является необратимым процессом.

Открытие Томаса Иоганна Зеебека

В 1821 году эстонско-немецкий физик Томас Зеебек провел один любопытный эксперимент: он соединил между собой две пластины, которые были изготовлены из разных материалов (висмут и медь) в замкнутый контур. Затем он нагрел один из контактов.

Ученый наблюдал, что магнитная стрелка компаса, который находился поблизости от проводящего контура, начала изменять свое направление.

Обратите внимание

В итоге ученый решил, что два материала (медь и висмут) поляризуются по-разному в результате действия тепла, поэтому определил открытый эффект как термомагнитный, а не термоэлектрический.

Впоследствии уже датский ученый Ханс Эрстед дал правильное объяснение открытому Зеебеком эффекту, назвав его термоэлектрическим процессом.

Суть открытого эффекта

Из пункта выше можно самостоятельно сделать вывод о том, что представляет собой это термоэлектрическое явление. Его суть заключается в следующем: если соединить два любых материала между собой в один контур и подвергнуть их контакты разности температуры, то в контуре потечет ток.

Заметим, что для наблюдения этого эффекта должны выполняться следующие условия:

  • Наличие замкнутого контура (электрический ток не существует в разорванной цепи).
  • Наличие контакта из двух разнородных металлов (если проводники, приводимые в контакт, будут сделаны из одного материала, то никакой разности потенциалов не будет наблюдаться). Этими материалами могут быть такие пары, как металл и другой металл, металл и полупроводник или два полупроводника разного типа (p и n).
  • Наличие разности температур между двумя контактами проводников. Эта разность лежит в основе явления возникновения ЭДС (сила электродвижущая). Отметим, что нагревать (охлаждать) следует именно контакт двух материалов, а не какой-либо один из них.

Физическое объяснение эффекта

Описанный термоэлектрический эффект является достаточно непростым явлением. Для его понимания рассмотрим систему, состоящую из медного и железного проводников, соединенных между собой. Обратим внимание на процессы, которые происходят в зоне контакта Cu-Fe, которая нагревается.

Приобретая дополнительную кинетическую энергию, электроны в области нагрева создают более высокое “давление” электронного газа, поэтому стремятся убежать из нее к более холодному концу контура. Наоборот, контакт Cu-Fe, который охлаждается, вызывает потерю кинетической энергии носителей заряда, это ведет к снижению создаваемого ими давления в зоне контакта.

Последний факт приводит к привлечению в холодную область свободных носителей заряда.

Если бы металлы в контакте были одинаковыми, то скорости дрейфа электронов в результате разности температур были бы одинаковыми, а их направления в каждом проводнике – противоположными, то есть никакой разности потенциалов бы не возникло. Но поскольку металлы имеют разную природу, то они различным образом реагируют на нагрев (изменение “давления” электронов и скорость их дрейфа разные для Fe и Cu). В этом и заключается причина появления ЭДС в зоне контакта.

Отметим, что при объяснении физики процесса использовалась аналогия с идеальным газом.

Направление возникающего термотока, а также его величина определяются природой металлов, разницей температур контактов, а также особенностями самой электрической замкнутой цепи.

Важно

Если рассмотреть физику процесса для пары металл-полупроводник, то она не будет отличаться от таковой для рассмотренной пары металл-металл. Приложение разности температур к двум контактам металла с полупроводником вызывает в последнем поток электронов (n-тип) или дырок (p-тип) от горячей области к холодной, что приводит к появлению разности потенциалов.

Если не поддерживать разность температур за счет отвода тепла от холодной зоны и его подвода к горячему контакту, то в цепи быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и ток прекращает течь.

Математическое описание рассматриваемого явления

Разобравшись, в чем заключается эффект Зеебека, можно перейти к вопросу его математического описания. Здесь главной величиной является так называемый коэффициент Зеебека. Он выражается формулой:

SAB = (V2-V1)/(T2-T1) = ΔV/ΔT.

Здесь V2 и V1 – значения электрических потенциалов в области горячего и холодного контактов, T2-T1 – разность температур этих контактов, A и B – это два материала рассматриваемой замкнутой цепи.

Физический смысл коэффициента SAB заключается в том, что он показывает, какую ЭДС можно получить, если приложить разность температуры к контактам равную 1 кельвин. Типичные значения SAB для современных термоэлектрических материалов равны несколько десятков или сотен микровольт на кельвин.

Коэффициент SAB не является постоянной величиной для проводников A и B, он зависит от температуры.

Кпд процесса

Это самый интересный и актуальный вопрос, который касается рассмотренного термоэлектрического эффекта. Если, приложив разность температур к цепи, можно получать электричество, тогда это явление можно использовать вместо распространенных генераторов, основанных на электромагнитной индукции. Этот вывод верен, если КПД эффекта Зеебека достаточно высок.

Для оценки КПД принято использовать следующее выражение:

Z*T = (SAB)2*T/(ρ*λ).

Здесь ρ – удельное электрическое сопротивление, λ – коэффициент теплопроводности, Z – фактор эффективности термоэлектрического явления.

Понять это выражение несложно: чем больше коэффициент Зеебека, чем выше подвижность носителей заряда (меньше сопротивление) и чем меньше теплопроводность материала (она способствует выравниванию градиента температуры за счет переноса заряда и за счет движения фононов решетки), тем будет выше производительность цепи как генератора электричества.

Значения Z*T для металлов обычно невысоки, поскольку величина λ является большой. С другой стороны, изоляторы также нельзя использовать из-за их огромных значений ρ. Золотой серединой стало применение полупроводников.

В настоящее время для разных температур получены значения Z*T≈1, что означает следующее: примерно 10 % от затрачиваемого тепла переходит в электрическую энергию (КПД = 10 %). Чтобы этот эффект по эффективности выработки электричества мог конкурировать с современными способами его получения, необходимо разрабатывать материалы, для которых Z*T будет составлять 3-4.

Где используют этот эффект

Самым популярным направлением его использования являются инструменты для измерения температуры, которые называются термопарами. Если температура одного конца термопары известна (комнатная), то, погрузив ее второй конец в тело, температуру которого следует определить, и измеряя при этом полученную ЭДС, можно легко найти неизвестную величину.

Согласно последним новостям, две немецких автомобильных компании (Volkswagen и BMW) заявляют, что начали применять этот эффект для повышения КПД бензинового двигателя. Идея заключается в использовании выбрасываемого из выхлопной трубы тепла для генерации термоэлектричества. По заявлениям представителей этих компаний, таким способом они уже смогли уменьшить расход бензина на 5 %.

Серия зондов “Вояджер”, миссия которых заключается в изучении окружающего нас космоса, использует для питания своей электроники эффект Зеебека.

Совет

Дело в том, что солнечные батареи за пределами орбиты Марса использовать нельзя ввиду низкой плотности энергии от Солнца.

На борту “Вояджера” установлен термоэлектрический генератор на изотопах плутония: радиоактивный оксид плутония распадается с выделением теплоты, которая используется парой полупроводниковых материалов (SiGe) для преобразования в электричество.

Спиновый эффект

Недавно ученые открыли интересное явление: если нагревать магнитный контакт пары Ni-Fe, то спины электронов во всем материале ориентируются определенным образом, что создает магнитное поле. Это явление получило название спинового эффекта Зеебека. Его можно использовать для создания магнитных полей без участия электрического тока.

Эффект Пельтье

Так называется явление, которое было открыто в 1834 году французом Жаном Пельтье.

Его суть заключается в том, что если через контакт разных материалов пропускать электрический ток, то он будет либо нагреваться, либо охлаждаться в зависимости от направления движения носителей заряда.

Его используют в так называемой ячейке Пельтье, способной нагревать или охлаждать окружающие объекты, например, воду, когда ее подключают к разности потенциалов (электрической цепи).

Таким образом, эффекты Пельтье и Зеебека обратны друг другу.

Эффект Томсона (Кельвина)

Он также входит в список термоэлектрических явлений. Открыл его лорд Кельвин (Уильям Томсон) в 1851 году. Он объединяет явления, наблюдаемые Пельтье и Зеебеком.

Суть эффекта Томсона следующая: если на концах проводника создать разную температуру, а затем приложить к ним напряжение, то проводник начнет обмениваться теплом с окружающей средой.

То есть он может не только его выделять, но и поглощать, что зависит от полярности потенциалов и разности температур на концах.

Отличие этого эффекта от двух предыдущих заключается в том, что он реализуется на одном, а не на двух разных проводниках.

Все три термодинамических эффекта связаны математически друг с другом.

Источник: https://www.nastroy.net/post/effekt-zeebeka-opisanie-obyyasnenie-i-ispolzovanie

Термоэлектрический эффект Зеебека. Область применения эффекта

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.

Читайте также:  Соковыжималка для яблок высокой производительности

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.

Источник: https://elektronchic.ru/avtomatika/effekt-zeebeka.html

Устройство для автономного электроснабжения на основе элементов Пельтье при реализации эффекта Зеебека

В статье приводится решение создания устройства для автономного электроснабжения жилого здания, общей потребностью 2 кВт/сут. Устройство основано на работе целого ряда моделей Пельтье, но особенность данного устройства заключается в реализации эффекта Зеебека.

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь – электрической.

Основное требование – увеличить объем ее выработки, но в последнее время все большее внимание привлекает энергия, которая должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики.

Не стало исключением и явление, открытое в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck) и названное позже «Эффектом Зеебека». Эффект Зеебека, открытый в начале XIX века, актуален и в настоящее время [1]. Возможности его применения неограничены.

Обратите внимание

Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов применения эффекта Пельтье (обратный эффекту Зеебека) и очень малая часть занимается исследованием эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона, практических же приборов и устройств автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека нет.

Элемент Пельтьеэто термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека, который нам показался более интересным в практическом решении и создании автономного устройства электроснабжения.

Поскольку в основе термоэлектрической генерации лежит эффект Зеебека – термоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС (Eтэдс) прямо пропорционально коэффициенту Зеебека α и разнице температур ΔT между горячей Th и холодной Tc сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рисунок 1).

Рисунок 1. Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа [1]

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Чертеж термоэлектрического генераторного модуля [1]Рисунок 3. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе [1]

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Зеебека может достигать 70 °C.

Надо понимать, что эффективность термоэлектрического модуля Пельтье (для осуществления эффекта Зеебека) зависит от разницы температур, создаваемых на разных участках – чем больше разница температур, тем выше эффективность.

Предлагаемые нами полуметаллы (висмут, сурьма) и особенно полупроводниковые материалы позволяют получить значительно более высокую чувствительность, чем металлы – до 1000 мкВ/К.

Обосновывая принцип работы термоэлектрического генераторного модуля, мы приходим к его схематическому изображению в действительности и установке для работы (рисунок 4).

Рисунок 4. Схематическое изображение

Используя данную схему, мы проектируем две системы для поддержания разницы температур (рисунок 4) – одна на поверхности обеспечивает одну температуру (среднесуточная температура зимой в средней полосе России -200С, летом +200С), другую помещаем ниже точки промерзания (1,6 м), где средняя температура колеблется от 2,6 до 3,6 0С. С помощью проводников данные системы связываются с модулями Зеебека. Единственное, что хочется здесь добавить это то, что потребуется теплоизоляция проводника, выходящего на поверхность (см. рисунок 5).

Важно

Рисунок 5 – Схематическое изображение расположения термоэлектрической генераторной установки

В результате всего вышесказанного, нами предлагается следующее проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека (рисунок 6).

Рисунок 6. Проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека

Таким образом, не возникает дополнительных вопросов при освоении земель, удаленных от «цивилизации», если уже 21 век. Не придется протягивать отдельную линию электропередачи для обеспечения жизнедеятельности целого жилого дома.

Данный исследовательский проект нашел практическое применение эффекта Зеебека в создании устройства для автономного электроснабжения на примере жилого здания. Предлагаемое техническое решение устройства автономного электроснабжения на основе эффекта Зеебека позволяет выработать требуемую электрическую энергию без дополнительных затрат, система устройства дешевая, не требует затрат энергии и других видов топлива, проста, доступна, эффективна.

Источник: https://novainfo.ru/article/11492

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

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.

Совет

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.

Обратите внимание

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).

Читайте также:  Регулятор напряжения

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.

Важно

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.

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/TERMOELEKTRICHESTVO.html

Кб передовых технологий – эффект зеебека

В 1820 году преподаватель Университета Копенгагена Ганс Эрстед заметил, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током.

Изучая это явление, в 1821 году немецкий ученый Томас Зеебек обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов замкнутых в электрическую цепь имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток.

Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление термоэдс. А уже следствием термоэдс в замкнутой цепи является электрический ток.

Эффект, получивший название термоэдс или эффект Зеебека, является характеристикой конкретного металла и зависит от температуры, состава и состояния материала. Величина этой термоэдс настолько мала, что для ее измерения используют очень точные приборы.

Применение эффекта Зеебека: термопары

Наиболее известное применение эффекта Зеебека в современных технологиях — термопары.

Применение термопар — это:

  • надежность
  • стабильность
  • малое время отклика
  • легкость подключения к системам автоматизации
  • широкий диапазон измеряемых температур
  • низкая стоимость

Например, одна из самых распространенных термопар — спай хромоникелевого сплава и алюмеля обеспечивает измерение температур от –200°С до 1250°С.

Также для измерения температуры используют:

  • терморезистор (измерение температуры, вызывающее изменение сопротивления терморезистора)
  • жидкостные и газовые термометры (например, медицинский термометр типа «градусник»)
  • пирометр (бесконтактный прибор, измеряющий температуру через измерение теплового излучения)

Но терморезистор не так точен, как термопара, жидкостные и газовые термометры не на столько практичны, подключить их к системам автоматизации не просто, пирометр — не дешевый прибор. Таким образом, термопара, не являясь лучшим во всех проявлениях прибором, выгодно отличается от всех остальных методов. Именно поэтому термопару очень часто можно встретить в промышленности (и не только).

Конструктивно термопары выполнены из двух разных металлов, один из которых принимается за положительный, другой — за отрицательный. Разность потенциалов образуется в цепи вследствие разности температур спаев. Свободные концы проводников подключаются к измерительному прибору.

Совет

Известный специалист в области термометрии Терри Куин заключил, что роль спая состоит лишь в создании электрического контакта. При этом, абсолютно не важно каким образом выполнен спай, и имеется ли диффузия одного сплава в другой в области спая.

Со временем было экспериментально доказано, что основной вклад в величину термоэдс дают участки термоэлектродов, где происходит наибольшее изменение температуры, а термоэдс термопары генерируется до длине термоэлектродов, в основном, в области максимального температурного градиента (роста температуры).

Эффект Пельтье — обратный эффекту Зеебека

Эффект Зеебека заключается в том, что при нагревании спая двух металлов (или контакт двух разнородных проводников) в нем возникает термоэдс. Существует обратный эффект. Он заключается в том, что при пропускании тока через спай, его температура изменяется.

Изменение температуры может происходить как в сторону охлаждения спая, так и в сторону его нагрева. Направление изменения температуры зависит от направления тока. Впервые этот эффект обнаружил французский ученый Жан Пельтье в 1834 году. Этот эффект носит его имя.

Анализ металлов и сплавов

В производстве (и не только) часто возникает вопрос: как определить марку металла или сплава? Для решения этой задачи было создано не мало приборов, работающих на различных физических методах.

Как было сказано выше, значение термоэдс является характеристикой конкретного металла. Таким образом, можно определить металл или сплав путем измерения его термоэдс. Этот метод и положен в основу работы «термоэлектрического анализатора металлов и сплавов ТАМИС» читать далее.

Источник: http://www.kbtech.ru/products/tamis/seebeck/

Спиновый эффект Зеебека — путь к термоспинтронике

В целом ряде термоэлектрических устройств давно используется так называемый эффект Зеебека — возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека: оказывается, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары.

В современной физике открытие новых эффектов — далеко не частое явление и, по сути, большая часть из них расширяет диапазон распространения классических эффектов на объекты наномира.

Так случилось и с недавно открытым спиновым эффектом Зеебека, ставшим логическим продолжением классического эффекта Зеебека, открытого еще в 1821 году.

Новичок, по заверениям ученых, способен сделать переворот в передовой области современной науки — спинтронике.

Классический эффект Зеебека заключается в возникновении электрического напряжения в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Благодаря этому эффекту человечество обрело ключи к большому классу явлений под общим названием «термоэлектричество».

Сегодня в целом ряде устройств, таких как термоэлектрогенераторы, сенсоры напряжения, температуры, давления газа, интенсивности света, задействован эффект Зеебека. Термоэлектрические устройства широко используются в нашей повседневной жизни. Почти все хотя бы раз в жизни были в сауне, но мало кто знает, что температурный контроль в ней осуществляется так называемой термопарой.

Такой термоэлектрический термометр состоит из двух кусочков разнородных металлов, соединенных сваркой (рис. 1а).

Один конец термопары помещается в измеряемую среду (в нашем случае в сауну), а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству.

Обратите внимание

При включении печи на нагрев разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Измерительное устройство преобразует термоток в показания термометра либо работает как датчик температуры на включение и отключение печи в сауне при достижении определенной температуры.

Кстати, если, находясь в сауне, вы не имеете возможности прибавить температуру легальным путем (блок управления печью закрыт на замок администратором), то можно воспользоваться знанием физики. Для этого на «горячий» конец термопары достаточно намотать смоченный в воде носовой платок или полотенце.

Следует отметить, что главное достоинство термопар по сравнению с жидкостными термометрами — широкий диапазон рабочих температур: от 4 до 2800 К в зависимости от используемых материалов.

Выделяют три основных причины возникновения термоЭДС. Во-первых, это температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников. В случае создания температурного градиента внутренние контактные разности потенциалов металлов будут различными, что и приводит к контактной составляющей термотока. Во-вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному.

В металлах тепло переносят электроны, которые диффундируют от горячего конца к холодному, накапливаясь на нём. В результате появляется электрическое поле, направленное против температурного градиента и препятствующее дальнейшему разделению зарядов.

В-третьих, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту и как бы «подталкивают» электроны к холодному концу.

Все эти причины учтены в так называемом коэффициенте Зеебека, который различается для разнородных проводников (так как зависит от плотности электронов проводимости и скорости их рассеяния) и определяется как отношение сгенерированного электрического напряжения к разности температур на концах проводника. Более подробно о классическом эффекте Зеебека можно прочитать здесь или здесь.

Важно

А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека. Их работа была опубликована в журнале Nature. Всё началось с теоретических рассуждений.

Читайте также:  Сок из сливы в соковыжималке

Так как в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то авторы публикации логично предположили, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека.

Другими словами, авторы предложили рассматривать магнит как два проводника с различными коэффициентами Зеебека (рис. 1b).

Итак, магнит (в данном эксперименте — 20-нанометровая пленка пермаллоя Ni81Fe19), помещенный в температурный градиент, содержит как бы два канала для электронов в разных спиновых состояниях.

По сути, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары! Так как по спиновым каналам будет протекать ток разной величины, соответственно μ↑ и μ↓, то на выходе из магнита мы можем извлекать чистый спиновый ток, равный μ↑–μ↓.

Как показали авторы статьи, такой термически индуцированный спиновый ток способен распространяться на сравнительно большие расстояния от концов магнита.

Спиновый эффект Зеебека — принципиально новая основа для создания генераторов спиновых токов, которые являются ключевыми элементами в устройствах термоспинтроники — электроники нового поколения.

Японским ученым впервые в мире удалось получить чистый спиновый ток — поток электронных спинов (точнее, электронов с одинаковым спином) без приложения электрического тока, — распространяющийся на большие расстояния (несколько миллиметров).

Совет

Это поразительный результат, так как все предыдущие исследования показали, что спиновые токи затухают на дистанциях, больших чем длина спиновой диффузии (расстояние, которое проходит спин без рассеяния); для сравнения, спиновая диффузия в меди составляет около 500 нм, в платине — 5 нм. Исключение составляет лишь работа Аппельбаума, которому удалось передать спин на расстояние 350 мкм.

Авторы полагают, что спиновый эффект Зеебека серьезно изменит исследования в области спиновых токов и приведет к скорому продвижению технологий по созданию спинтронных устройств нового поколения.

Источник: K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, S. Maekawa, E. Saitoh. Observation of the spin Seebeck effect // Nature. 2008. V. 455. P. 778-781; doi:10.1038/nature07321.

См. также о спинтронике:

Источник: https://elementy.ru/news/430918

Эффект Зеебека

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

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

История

Данный эффект был открыт в 1821 Т. И. Зеебеком.

Описание

Как уже отмечалось, эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, котороя сотоит только из двух различных проводников называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего (T1) и холодного (T2) контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс E можно считать пропорциональной разности температур:

E = α12(T2 − T1), где α12 — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс)

В простейщем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако строго говоря, он зависит и от темературы и в некоторых случаях с изменением температуры α12 меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

E = int_{T_1}^{T_2} alpha_{12}(T)dT

Объяснение эффекта

Воникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, 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 и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд.

Обратите внимание

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.

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

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

U = frac{F_2-F_1}{e}, 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 контактной термоэдс.

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

Фононное увлечение

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 термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Применение эффекта

Категории:

  • Незавершённые статьи по физике
  • Термоэлектрические явления

Источник: http://mediaknowledge.ru/4a5b2fb249f90dd.html

Эффект Зеебека

Открытие эффекта Зеебеком произошло в 1921г. Состоит эффект 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 термоэдс в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( ) и холодного ( ) контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур:

(1)

где — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).

Важно

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

(2)

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

1) Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах.

Если вдоль проводника существует градиент температур, 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 и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд.

Обратите внимание

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.

2) 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

, (3)

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 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.

Совет

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 термоэдс исчезают.

Источник: https://studopedia.org/2-97907.html

Зеебека эффект – Автоматизированная Интернет-система формирования баз данных репродуктивных и формализованных описаний естественнонаучных и научно-технических эффектов

Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Общий каталог эффектов

  • Естественнонаучные эффекты (ЕНЭ)

Зеебека эффект

Возникновение эдс (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах

Анимация

Описание

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

Рис. 1

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

Величина термоэдс (εТ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA , TB), разности этих температур DT и от природы материалов, составляющих термоэлемент.

Термоэдс контура определяется формулами:

deТ = a12dT;

.

Здесь a12  – 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.

Обратите внимание

Значения коэффициентов термоэдс металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно a1 и a2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда a12 = a1 – a2.

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

eТ = a12 (TA – TB) = a12 DT.

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: a1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и a2= -38.0 мкВ/К (для константана).

Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1). Именно эта ситуация (когда a2

Источник: http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/1041/index.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector