Введение
1. Первооткрыватель явления термоэлектричества
2. Общие сведения о возникновении электродвижущей силы
3. Понятие термоэлектрического эффекта Зеебека
4. Применение эффекта Зеебека
Заключение
Список использованной литературы
Возможно, нас ждут новые месторождения нефти и угля и таких мало разведанных районах, как Австралия, Сахара или Антарктика. Кроме того, интенсивно разрабатываются и осваиваются новые технологии добычи угля из тонких и глубоких пластов, а также нефти из морских месторождений.
Нет сомнения в том, что будут разработаны принципиально новые, более эффективные способы использования ископаемых видов топлива. Традиционный многоступенчатый процесс, когда топливо сжигают, чтобы получить водяной пар, который направляется на вращение турбины генератора, вырабатывающего электричество, сопряжен с огромными потерями энергии. Большей части этих потерь можно избежать, если научиться превращать тепло непосредственно в электричество. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Т. Зеебек в далеком 1823 году. Плотно соединив провода двух разных металлов в замкнутую цепь и нагрев место стыка, он заметил, как дрогнула стрелка, находившегося рядом компаса. Это означало, что под действием тепла в цепи возникал электрический ток (термоэлектричество). Однако сам автор неверно истолковал результаты собственного опыта, и о его открытии надолго забыли.
Однако с появлением полупроводниковых материалов и технологий забытый эффект Зеебека снова привлек внимание ученых. И в результате были разработаны термоэлектрические устройства на основе полупроводниковых материалов. При нагревании одного конца полупроводника в нем появляется электрический потенциал: в полупроводнике р-типа на холодном конце возникает отрицательный заряд, а в n-электроде - положительный. Если два этих электрода соединить в форме U-образной конструкции с n-р-переходом в нижней части, то нагревание этого стыка приведет к тому, что на верхнем конце р-электрода будет накапливаться отрицательный заряд, а на верхнем конце n-злектрода - положительный.
В итоге между ними потечет электрический ток, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока поддерживается разность температур. (И наоборот, пропускание через термоэлемент электрического тока вызывает поглощение тепла и понижение температуры, поэтому его можно использовать в качестве холодильного устройства.)
Термоэлектрический элемент - очень компактный, не требующий ни дорогостоящего генератора, ни громоздкого парового двигателя - можно легко установить практически в любом месте и пользовать в качестве удобного источника энергии. Все, что ему требуется, - это внешний обогреватель, например керосинная горелка.
эффект термоэлектрический зеебек ток
Зеебек (Seebek) Томас Иоганн (9. IV.1770 - 10. XII.1831) - немецкий физик, член Берлинской АН (1814) Р. в Ревеле (теперь Таллин). Учился в Берлинском и Гёттингенском унтах, в последнем получил в 1802 степень доктора. Работал в Йене, в 20-х годах в Берлине.
Работы посвящены электричеству, магнетизму, оптике. Открыл в 1821 явление термоэлектричества (в паре "медь - висмут"), построил термопару и использовал ее для измерения температуры. Первый применил железные опилки для определения формы силовых линий магнитного поля. Изучал магнитное действие тока, хроматическую поляризацию и распределение тепла в призматическом спектре. Обнаружил поляризационные свойства турмалина (1813). Переоткрыл инфракрасные лучи, круговую поляризацию, намагничивание железа и стали вблизи проводника с током.
В 1821 году берлинский учёный член Берлинской Академии наук Зеебек (1770-1831) решил воспроизвести опыт Эрстеда по воздействию постоянного электрического тока на магнитную стрелку. Но источником тока была не гальваническая батарея, а сухой без какого-либо электролита контакт двух металлов. Зеебек установил, что магнитная стрелка реагировала только в тот момент, когда экспериментатор прикасался к месту контакта руками. Причём не играло никакой роли, были ли руки сухими или влажными. Эффект отсутствовал даже в том случае, когда контакт сжимался руками через влажную бумагу. Но при сжатии через стекло или металл стрелка отклонялась. Проведя многочисленные эксперименты, Зеебек убедился, что суть явления в тепле рук, которыми этот контакт сжимался. Поэтому этот эффект был назван термомагнитным.
Эти эксперименты были вскоре подтверждены Эрстедом и Фурье. Выяснилось, что элемент Зеебека не только создаёт магнитное поле, но и способен разлагать химические соединения. Этим он уподобляется химическому источнику тока. Поэтому это явление было названо термоэлектричеством.
Но сам первооткрыватель этого явления с таким толкованием не соглашался. Сам он занимался теорией земного магнетизма, а этот феномен он объяснял разностью температур между экватором и земными полюсами. В этих экспериментах учёный видел подтверждение своей точки зрения. Он считал, что именно токи, возникающие вследствие открытого им эффекта и порождают магнитное поле.
Надо отдать должное берлинскому профессору. Он сам, проведя множество экспериментов, накопил массу неопровержимого материала, который не только заставил его отказаться от своей гипотезы, но и предоставил науке много новых фундаментальных данных.
Эффект Зеебека - переход электрической энергии в тепловую и обратно - нашёл широкое применение в технике. На его основе работают термопреобразователи - термопары.
Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия, которых основан на явлении Зеебека.
В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т.Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Этот факт послужил основой для создания устройства,
чувствительным элементом которого является термопара - два проводника из
разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце,
другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или
непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов
заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее
термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим
эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС),
возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных
металлов и сплавов (рис.1), образующих часть одной и той же цепи.
Термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов - квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термо ЭДСтермопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.
В металлах полупроводниках процессы переноса зарядов (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока - электронов проводимости и дырок. Эта взаимосвязь обуславливает ряд явлений (Зеебека, Пельтье, и Томсона), которые называют термоэлектрическими явлениями.
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой электрической цепи из разнородных металлов возникает термо э. д. с. если места контактов поддерживаются при разных темпера - турах. Эта ЭДС зависит только от температуры и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термо э. д. с. для пар металлов может достигать 50 мкВ/градус; в случае полупроводниковых материалов величина термо э д с выше (10 во 2-ой + 10 в 3-ей мкВ/градус).
Электротермический способ дефектоскопии, заключающийся в том, что контролируемую зону нагревают, пропуская через нее в течение определенного времени постоянный по величине электрический ток, измеряют при помощи термопары-датчика температуры ее нагрева и судят о наличии дефекта по отклонению этой температуры от температуры нагрева бездефектной зоны сварного соединения, отличающийся тем, что с целью контроля зоны сварного соединения двух разных металлов, например, контактных узлов радиодеталей, в качестве термопары-датчика используют термопару, образованную соединенными металлами.
Для проверки качества сварного шва снимают распределение термоэлектрического потенциала поперек шва. Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности шва, а их величина - о степени неоднородности. Быстро и наглядно.
Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников любого состава, все спаи (контакты) которых поддерживаются при одной и той же температуре, то термо э. д. с. в такой системе будет равна термоэдс исходного элемента.
Термопара, содержащая защитный чехол, термоэлектроды с электрической изоляцией, рабочие концы, которых снабжены, снабжены токопроводящей перемычкой, образующей измерительный спай, отличающийся тем, что с целью увеличения срока службы термопары в условиях повышенной вибрации и больших скоростей нагрева, измерительный спай термопары выполнен в виде слоя порошкообразного металла,расположенного на дне защитного чехла.
При измерении физического состояния веществ, участвующих в контакте изменяется и величина термо э. д. с.
Способ распознавания систем с ограниченной и неограниченной взаимной растворимостью компонентов по температурной зависимости термо э. д. с., отличающейся тем, что с целью повышения надежности распознавания измеряют термо э. д. с. кон - такта двух исследуемых образцов Между металлом, сжатым всестороннем давлением, и тем же металлом, находящемся при нормальном давлении тоже возникает термо э. д. с.
Например, для железа при температуре 100 градусов С и
давлении 12 кбар, термоэдс равна 12,8 мкВ. При насыщении металла или сплава в
магнитном поле относительно того же вещества без магнитного поля возникает
термоэдс порядка 09мкВ/градус
Если прохождение тока в замкнутой цепи вызывает нагревание одних и охлаждение других спаев, то нагревание одних и охлаждение других контактов приводит к появлению тока в цепи (эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект) в отсутствие внешнего источника.
Пусть температура Т 0 во всех точках однородного
металлического стержня (рис.2) одинакова; значит, повсюду одинаковы
концентрации, средние энергии и скорости свободных электронов.
Нагреем один конец стержня и будем его поддерживать при постоянной температуре Т>Т 0 . Противоположный же конец будем непрерывно охлаждать так, чтобы его температура Т 0 оставалась неизменной. Тогда в стержне установится градиент температуры, и через него будет идти постоянный поток тепла. Перенос тепла в металлах осуществляется в основном движением свободных электронов. При этом электроны, проходящие через сечение 1-1 из области с более высокой температурой, переносят с собой больше энергии, чем электроны, проходящие через то же сечение в противоположном направлении. Вследствие различия скоростей электронов, находящихся в областях с различными температурами, окажется различным и число электронов, проходящих через сечение 1 - 1 в противоположных направлениях. Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль стержня создает постоянную разность потенциалов на его концах, величина которой пропорциональна градиенту температуры.
Если спаять в одном месте два разнородных
металла 1 и2, и нагреть спай до некоторой температуры Т, превышающей
температуру обоих концов Т 0 (рис.3, а), то из-за различного падения
потенциала обоих металлов и их электронных концентраций потенциалы
свободных концов будут различны, и между металлами возникнет разность
потенциалов U. Если нагреть такой спай до другой температуры Т" (рис.3, б), то
между свободными концами установится другое значение разности потенциалов U’.
Соединяя свободные концы одинаковых
металлов (как показано на рис.3 пунктиром), мы видим, что в замкнутой цепи из
двух разнородных металлов возникает электродвижущая сила
если между спаями поддерживается постоянный перепад температур . Эта величина называется
термоэлектродвижущей силой (термоэдс) и создает в замкнутой цепи (рис.4)
постоянный электрический ток.
Производная
характеризует возрастание термоэдс для данной пары металлов при нагревании одного из спаев на 1° и обычно весьма мала. Для пар железо - медь, железо - константан, широко применяемых в технике при измерении температур, е 1, 2 имеет порядок 50 мкв/град. Для высокотемпературной пары платина-платинородиевый сплав этот коэффициент примерно в 10 раз меньше.
Измеряя величину термоэдс, можно определить разность температур
между спаями, помещенными в различные резервуары. Для таких практических
применений подбирают термопары, у которых коэффициент е 1,2 в широком
интервале температур остается практически постоянным. В этом случае э. д. с.
прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев:
е 1,2 = const и 
.
Необходимо подчеркнуть принципиальную разницу между контактной разностью потенциалов и термоэлектрическими явлениями. Контактные потенциалы имеют сравнительно большую величину (порядка нескольких вольт) и характеризуют электрическое поле вне проводников между наружными поверхностями последних. Контактная разность потенциалов есть статический эффект, не исчезающий и при абсолютном нуле температуры. В противоположность этому термоэлектрические явления представляют собой чисто кинетические эффекты, наблюдаемые при наличии потоков тепла или заряда (т.е. тока). Возникающие при этом разности потенциалов по абсолютной величине малы (доли милливольта). При абсолютном нуле количество электронов n", обусловливающих эти эффекты, равно нулю и все термоэлектрические явления исчезают.
Постоянство е 1,2 и линейная зависимость соблюдаются далеко не всегда и не во всем интервале температур. Для ряда систем с повышением температуры горячего спая термоэдс изменяется не монотонно, сначала возрастает, а затем убывает и даже переходит через нуль (точка инверсии). Кроме того, величина термоэдс (и коэффициента Пелътье) чувствительна к внешним механическим воздействиям, искажающим структуру металла и энергетические уровни электронов. Поэтому применяемые в технике и для научных исследований термопары всегда нуждаются в тщательной индивидуальной градуировке.
В электрических схемах и приборах всегда имеются спаи или контакты различных по своему составу и обработке проводников. При колебаниях температуры окружающей среды в этих местах контактов возникают неконтролируемые блуждающие термоэдс. Вследствие малости этих термоэдс они обычно не сказываются на работе приборов, но при очень точных и тонких измерениях необходимо учитывать и предотвращать возможность подобных влияний.
С другой стороны, термоэдс имеет широкое полезное практическое
применение, как простой электрический метод измерения температур. При подобных
намерениях с помощью термопар или термоэлементов одни из спаев поддерживается
при вполне определенной постоянной температуре T 0 (например,
помещается в тающий лед) и измеряется идущий в замкнутой цепи термоток
с помощью гальванометра, как это изображено на рис.5.
В более грубых технических термопарах один из спаев имеет просто
температуру окружающей среды. Для повышения чувствительности термоэлементов их
соединяют последовательно в термобатарею (рис.6).
При прецизионных измерениях предпочтительнее измерять не термоток, а непосредственно термоэдс, компенсируя ее известной электродвижущей силой.
Явление Зеебека не противоречит второму началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта). Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного - непрерывно ее отводить.
Явление Зеебека используется для измерения температуры. Для этого применяются термоэлементы, или термопары - датчики температур, состоящие из двух соединенных между ним с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный слой, составляет примерно 2 % от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина - с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1→2 и 2→1) одинаково не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.
С помощью явления Зеебека, помимо температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: силы переменного тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д.
Для увеличения чувствительности термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи. При этом, все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные - при другой. Эдс такой батареи равна сумме термоэдс отдельных элементов.
Миниатюрные термобатареи (так называемые термостолбики) с успехом применяют для измерения интенсивности света (как видимого, так и невидимого). В соединении с чувствительным гальванометром они обладают огромной чувствительностью: обнаруживают, например, тепловое излучение человеческой руки.
Термобатарея представляет интерес и как генератор электрического тока. Однако использование металлических термоэлементов неэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы.
Создание высокоэффективных термоэлектрических преобразователей энергии является одной из актуальных технических задач. Фундаментальные и прикладные исследования, направленные на её решение, ведутся как в университетских лабораториях, так и в исследовательских центрах фирм занимающихся производством электроники, автоматики и другой высокотехнологичной продукции. Работы ведутся в различных направлениях, начиная от исследования термоэлектрических свойств гетероструктур и заканчивая созданием термоэлектрических приборов, которые находят все более широкое применение в быту, на транспорте, в энергетике. Применение термоэлектрических преобразователей энергии связано с генерацией электрического тока, использованием в холодильниках, кондиционерах, регуляторах температуры, осушителях и т.п. В мире наблюдается непрерывный рост интереса к термоэлектрическим устройствам. Постоянно наращиваются объемы выпускаемых термоэлементов и приборов на их основе. Это обусловлено тем, что существуют направления, в которых преимущества термоэлектрических способов преобразования энергии являются неоспоримыми. В первую очередь - это электропитание автоматов, использующихся для исследования дальнего космоса, автономные устройства сейсмической разведки, обустройство катодной защиты нефте - и газопроводов. На мировом рынке постоянно растет спрос на термоэлектрические материалы и термоэлектрические преобразователи различного назначения.
В связи с этим в лаборатории термоэлектрического материаловедения проводятся экспериментальные и прикладные исследования в следующих направлениях:
Исследование закономерностей изменения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура в зависимости от количества и типа легирующей примеси с целью определения химического состава кристаллов с аномалиями в величине ряда физических величин, обусловленных интенсивным электрон-плазмонным взаимодействием.
Исследование зависимости величины коэффициентов электро - и теплопереноса в легированных кристаллах полупроводников.
Определение химического состава кристаллов, обладающих максимальной термоэлектрической эффективностью.
Создание опытных образцов термоэлектрических преобразователей энергии для широкого диапазона температур.
Определение оптимальных условий процесса выращивания кристаллов термоэлектрических материалов, на основе полуметаллов висмута, сурьмы и их сплавов методом зонной плавки.
Изучение влияния взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной системы кристалла на величину термоэлектрической эффективности материала.
Определение факторов влияния на характеристики электронной системы кристалла, способствующих координации потоков тепловой и электрической энергии.
Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.
Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.
С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое
применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения
температур. Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая
энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются
полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс.
1. Зисман Г.А. Курс общей физики. - М.: Наука, 1972, 366 с., ил.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990. - 480с., ил.
И.В. Савельев Курс общей физики, т. II. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. - 2-е издание, переработанное (М., Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1982) с.233-235.
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.
Наиболее известное применение эффекта Зеебека в современных технологиях — термопары.
Применение термопар - это:
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:
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.
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 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.
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» .
Термоэлектрические явления представляют собой отдельную тему в физике, в которой рассматривают, как температура может порождать электричество, а последнее вести к изменению температуры. Одним из первых открытых термоэлектрических явлений стал эффект Зеебека.
В 1797 году итальянский физик Алессандро Вольта, проводя исследования в области электричества, открыл одно из удивительных явлений: он обнаружил, что при контакте двух твердых материалов в области контакта появляется разность потенциалов. Она получила название контактной разности. Физически этот факт означает, что зона соприкосновения разнородных материалов обладает электродвижущей силой (ЭДС), способной привести к появлению тока в замкнутой цепи. Если теперь соединить в одну цепь два материала (сформировать два контакта между ними), то на каждом из них появится указанная ЭДС, которая будет одинакова по модулю, но противоположна по знаку. Последнее объясняет, почему не возникает никакого тока.
Причиной появления ЭДС является разный уровень Ферми (энергии валентных состояний электронов) в разных материалах. При соприкосновении последних уровень Ферми выравнивается (в одном материале понижается, в другом - повышается). Этот процесс происходит за счет перехода электронов через контакт, что и приводит к появлению ЭДС.
Сразу следует отметить, что величина ЭДС является незначительной (порядка нескольких десятых вольта).
Томас Зеебек (немецкий физик) в 1821 году, то есть спустя 24 года после обнаружения Вольтом контактной разности потенциалов, провел следующий опыт. Он соединил пластину висмута и меди, а рядом с ними расположил магнитную стрелку. В этом случае, как выше было сказано, никакого тока не возникало. Но стоило ученому поднести пламя горелки к одному из контактов двух металлов, как магнитная стрелка начала поворачиваться.
Теперь мы знаем, что причиной ее поворота стала сила Ампера, создаваемая проводником с током, но на то время Зеебек этого не знал, поэтому он ошибочно предположил, что возникает индуцированная намагниченность металлов в результате разницы температуры.
Правильное объяснения этому явлению было дано несколько лет позже датским физиком Хансом Эрстедом, который указал, что речь идет именно о термоэлектрическом процессе, и по замкнутой цепи идет ток. Тем не менее открытый Томасом Зеебеком термоэлектрический эффект в настоящее время носит его фамилию.
Еще раз для закрепления материала: суть эффекта Зеебека заключается в индуцировании электрического тока в результате поддержания различной температуры двух контактов разных материалов, которые образуют замкнутую цепь.
Чтобы понять, что происходит в указанной системе, и почему в ней начинает бежать ток, следует познакомиться с тремя явлениями:
Отмеченные три процесса в итоге определяют возникновение тока в описанной системе.
Очень просто, для этого вводят некий параметр S, который получил название коэффициента Зеебека. Параметр показывает, ЭДС величины индуцируется, если поддерживается разность температур контактов равная 1 Кельвину (градусу Цельсия). То есть можно записать:
Здесь ΔV - ЭДС цепи (напряжение), ΔT - разность температур горячего и холодного спаев (зон контакта). Эта формула является лишь приближенно верной, поскольку S в общем случае зависит от температуры.
Значения коэффициента Зеебека зависят от природы материалов, вступивших в контакт. Тем не менее однозначно можно сказать, что для металлических материалов эти значения равны единицам и десяткам мкВ/К, в то время как для полупроводников они составляют сотни мкВ/К, то есть полупроводники обладают на порядок большей термоэлектрической силой, чем металлы. Причиной этого факта является более сильная зависимость характеристик полупроводников от температуры (проводимость, концентрация носителей заряда).
Удивительный факт перевода теплоты в электричество открывает большие возможности для применения этого явления. Тем не менее для его технологического использования важна не только сама идея, но и количественные характеристики. Во-первых, как было показано, возникающая ЭДС является достаточно маленькой. Эту проблему можно обойти, если использовать последовательное соединение большого числа проводников (что и делается в ячейке Пельтье, речь о которой пойдет ниже).
Во-вторых, это вопрос эффективности генерации термоэлектричества. И этот вопрос остается открытым по сей день. КПД эффекта Зеебека является чрезвычайно низким (порядка 10 %). То есть из всего затраченного тепла лишь одну десятую его можно будет использовать для совершения полезной работы. Многие лаборатории во всем мире стараются поднять этот КПД, что можно сделать, разработав материалы нового поколения, например, с помощью нанотехнологий.
Несмотря на низкий КПД, он все же находит свое применение. Ниже перечислим основные из областей:
Существуют три термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье, Томсона. Суть первого уже была рассмотрена. Что касается эффекта Пельтье, то он заключается в нагревании одного контакта и охлаждении другого, если рассмотренную выше цепь подсоединить к внешнему источнику тока. То есть эффекты Зеебека и Пельтье являются противоположными.
Эффект Томсона имеет ту же природу, однако он рассматривается на одном материале. Его суть состоит в выделении или поглощении тепла проводником, по которому течет ток и концы которого поддерживаются при разных температурах.
Когда говорят о петентах на термо генераторные модули с эффектом Зеебека, то, конечно же, первым делом вспоминают про ячейку Пельтье. Она представляет собой компактное устройство (4x4x0,4 см), изготовленное из ряда последовательно соединенных проводников n- и p-типа. Изготовить ее можно своими руками. Эффекты Зеебека и Пельтье лежат в основе ее работы. Напряжения и токи, с которыми она работает, невелики (3-5 В и 0,5 A). Как было сказано выше, КПД ее работы очень маленький (≈10 %).
Применяется она для решения таких бытовых задач, как нагрев или охлаждение воды в кружке или подзарядка мобильного телефона.
ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ - возникновение эдс (термоэдс) в электрич. контуре, состоящем из двух проводников А и В , контакты между к-рыми поддерживаются при разных темп-pax T 1 и Т 2 . Открыт в 1821 Т. И. Зеебеком (Th. J. Seebeck). 3. э. используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (термоэлектрогенераторы) и в термометрии . контура определяется ф-лой:
Где S A
п S B
наз. абсолютными термоэдс (дифференц. термоэдс, коэф. термоэдс) проводников А
и В
, Абс. термоэдс - характеристика проводника, равная S=du/dT
, где и
- эдс, возникающая в проводнике при наличии в нём градиента темп-р. 3. э. связан с др. термоэлектрическими явлениями (Пельтье эффектом
и Томсона эффектом
)соотношениями Кельвина:
где r и П - коэф. Томсона и Пельтье.
Градиент темп-ры создаёт в проводнике градиент концентраций "холодных" и "горячих" носителей . В результате этого возникают два диффузионных потока носителей - вдоль и против градиента темп-ры. Т. к. скорости и концентрации "горячих" и "холодных" носителей заряда различны, то на одном конце проводника создаётся избыточный положит. заряд, а на другом - отрицательный. Поле этих зарядов приводит к установлению стационарного состояния: число носителей, проходящих через поперечное сечение образца в обоих направлениях, одинаково. Возникающая диффузионная термоэдс определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью m, обусловленной характером их взаимодействия с фононами
,примесями и т. д.
В металлах вырожден и термоэдс определяется только различием подвижностей "горячих" и "холодных" электронов. В полупроводниках термоэдс обусловлена зависимостью от Т
как подвижности, так и концентрации электронов и дырок. Обычно вклад в термоэдс, связанный с температурной зависимостью концентрации носителей, превышает вклад, обусловленный различием в m(T
), хотя последний в полупроводниках (вследствие Больцмана распределения
носителей) на неск. порядков больше, чем в металлах. Именно поэтому термоэдс в полупроводниках значительно выше, чем в металлах.
Теоретическое описание
. Выражение для термоэдс может быть получено из кинетич. ур-ния Больцмана:
где величины К
1 п К
0 определяются ф-лой:
Здесь v
- скорость носителей (i
, j = x, у, z
), t - время их релаксации, h - химический потенциал f
, 0 - ф-ция распределения Ферми, е
- заряд носителей, E - их энергия, k
- .
Для металлов выражение (3) принимает вид:
где s(E) - проводимость при T=К
. С помощью (4) может быть описана термоэдс кристаллич., аморфных и жидких металлов. Для металлов величина S
порядка kT/
h, т. к., с одной стороны, электронный газ вырожден и только малая часть электронов (порядка kT/
h
)участвует в диффузионном токе, с др. стороны, для большинства механизмов рассеяния зависимость проводимости от энергии слабая:
Однако существуют механизмы релаксации, для к-рых термоэдс в металлах порядка k/e
. К ним относятся процессы асимметричного упругого и неупругого рассеяния электронов в ферромагнетиках
с немагнитными примесями; процессы интерференции рассеяния, независящего от спинового взаимодействия электронов с примесью в кондо-решётках. В этих случаях [д
ln s(E)/д
lnE] E =
h ~h/kТ
. В приближении t=t 0 E r
, где r
- параметр, зависящий от природы процессов рассеяния, из (3) следует:
Для полупроводников в случае квадратичного изотропного дисперсии закона
носителей из (3) следует:
Знак термоэдс определяется знаком носителей заряда. Первый член суммы в (6) связан с изменением подвижности, а второй - с изменением концентрации носителей. Аналогичный вид имеет зависимость S(Т
)для аморфных и стеклообразных полупроводников
.
Влияние "увлечения" электронов фононами и магнонами
. Диффузионная термоэдс рассматривалась выше в предположении, что фононная система находится в равновесии. В действительности наличие градиента темп-ры вызывает отклонение фононной системы от равновесия - возникает поток фоноиов от "горячего" конца проводника к "холодному". Взаимодействуя с электронной системой, они передают им свой избыточный импульс, в результате чего возникает дополнит. т. н. термоэдс фононного увлечения S
ф (см. Увлечение электронов фононами
,). Она определяется характером
электронно-фононного взаимодействия и зависит от др. механизмов рассеяния фононов. Если фононная система полностью релаксирует на электронах (эффект "насыщения"), то при T<<
q D
(q D
- Дебая температура S
) ф ~T
- 1 . S
ф ~T
3 как для металлов, так и для полупроводников. Если же фононы взаимодействуют не только с электронами, но и друг с другом, зависимость S ф (T) иная. В металлах при T>>q D
. В полупроводниках электроны взаимодействуют только с длинноволновыми фононами (см. Рассеяние носителей заряда
в полупроводниках), а S ф определяется их взаимодействием с коротковолновыми фононами, к-рым длинноволновые фононы передают свой импульс:
Два значения п
соответствуют двум механизмам фонон-фононной релаксации, в к-рых либо учитывается (n
=1), либо не учитывается (п=
2
)затухание тепловых фононов. При низких темп-pax гл. роль играют процессы рассеяния на границах образца: S ф ~D
T 3/2 , где D
- характерный размер образца.
В магнетиках существует эффект "увлечения" электронов магнонами, к-рый также вносит вклад в термоэдс (см. Спиновые волны
).
Для металлов с многолистной ферми-поверхностъю
и полупроводников с многозонным характером проводимости выражения для диффузионной термоэдс и термоэдс увлечения обобщаются:
Здесь s i
и S i
- парциальные вклады в проводимость и термоэдс i
-го листа поверхности Ферми или i
-й энергетич. зоны.
3. э. в сверхпроводниках
. Под действием градиента темп-ры в сверхпроводниках
появляется объёмный ток нормальных возбуждений по природе такой же, как и в обычных проводниках. Этот ток обусловливает объёмный ток куперовских пар, к-рый компенсирует ток нормальных возбуждений. Т. к. полный объёмный ток равен 0, а электрич. поле в сверхпроводниках отсутствует, исследовать термоэдс, связанную с нормальными возбуждениями в сверхпроводниках, можно, измеряя сверхпроводящую компоненту тока.
Лит.:
Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982; Цидильковский И. М., Термомагнитные явления в полупроводниках, М., 1960; Зырянов П. С., К л и н г е р М. И., Квантовая теория явления электронного переноса в кристаллических полупроводниках, М., 1976; Термоэлектродвижущая сила металлов, пер. с англ., М., 1980; Абрикосов А. А., Основы теории металлов, М., 1987.
И. М. Цидильковский
, В
. А. Матвеев
.
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 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:
где - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).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:
Величина термоэдс составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .
Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.
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. 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 вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов , равная
, 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.
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.
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 .
Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.
Wikimedia Foundation . 2010 .
- (термоэлектрический эффект), в ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ, образование ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) в цепи, состоящей из двух различных металлов или полупроводников, соединенных в петлю, два контакта между которыми поддерживаются при разных температурах.… … Научно-технический энциклопедический словарь
эффект Зеебека - термоэлектрический эффект — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы термоэлектрический эффект EN… … Справочник технического переводчика
эффект Зеебека - термоэлектрический эффект Зеебека; эффект Зеебека Возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников при различных температурах контактов. термоэлектрический эффект; эффект… … Политехнический терминологический толковый словарь
эффект Зеебека - termoelektrinis efektas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovės atsiradimas uždaroje grandinėje, sudarytoje iš skirtingų metalų pašildžius jų kontakto vietą. atitikmenys: angl. Seebeck effect; thermoelectric effect rus.… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
эффект Зеебека - Seebeck o reiškinys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet Seebeck, m ryšiai: sinonimas – Zėbeko reiškinys … Automatikos terminų žodynas
эффект Зеебека - Zėbeko reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet de Seebeck, m … Fizikos terminų žodynas
эффект Зеебека - Zėbeko efektas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reiškinys, kai uždaroje elektrinėje grandinėje, iš nuosekliai sujungtų dviejų laidininkų, kurių lietimosi vietų temperatūra nevienoda, susidaro termoelektrovara ir teka elektros srovė.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
эффект Зеебека - явление возникновения электродвижущей силы в электрическом контуре, состоящем из разных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры; открыт в 1821 г. немецким физиком Т. Зеебеком. Электродвижущая сила,… … Энциклопедический словарь по металлургии
Эффект Зеебека - холод. техн. Возникновение электродвижущей силы за счет разности температур двух спаев различных металлов или сплавов … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого
- (англ. Spin Seebeck effect) физический эффект, в котором градиент температуры вдоль ферромагнитного проводника создаёт ненулевой потенциал спинового тока, где электрохимические потенциалы для электронов с основным и неосновным… … Википедия
