Явление зеебека используется при измерении. Термоэлектрический эффект Зеебека: история, особенности и применение. Термоэлектрические устройства и применение эффекта Зеебека

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

Введение

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

1. Первооткрыватель явления термоэлектричества

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.

2. Общие сведения о возникновении электродвижущей силы

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

3. Понятие термоэлектрического эффекта Зеебека

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.

4. Применение эффекта Зеебека

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.

Заключение

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.

Список использованной литературы

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.

Заключается в возникновении электродвижущей силы ЭДС (термоЭДС) в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, если места контактов поддерживают при разных температурах. Открыт Т. И. Зеебеком в 1821 г. Эффект Зеебека используется в термометрии и для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах .

Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, является термопарой . При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоЭДС. Это и есть проявление эффекта Зеебека. При эффекте Зеебека в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, когда один контакт проводников имеет температуру, отличную от температуры другого контакта, на концах цепи, имеющих одинаковую температуру, возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур контактов.

В относительно небольшом температурном интервале величина термоЭДС Е пропорциональна разности температур контактов (спаев):

Е»a Т (Т 2 -Т 1) .

Коэффициент пропорциональности Т для термопары называется термоэлектрической способностью пары (термосилой, коэффициентом термоэдс, или удельной термоэдс). В общем случае коэффициент пропорциональности Т называется относительной дифференциальной термоЭДС. Его значение зависит от природы соприкасающихся проводников и от температуры. В некоторых случаях с изменением температуры Т меняет знак. Величина Т , называемая также коэффициентом Зеебека, является количественной характеристикой эффекта Зеебека: Т - это электродвижущая сила, возникающая в замкнутой цепи, состоящей из двух металлов, при разности температур между контактами в 1К. Обычно в цепи, состоящей из металлов, величина Т достигает несколько десятков микровольт на Кельвин, в цепи из полупроводников значение Т на два-три порядка выше.

Причина возникновения термотока и термоЭДС заключается в том, что на контактах возникают внутренние контактные разности потенциалов, вызванные различием концентрации носителей. Эти разности потенциалов скомпенсированы до тех пор, пока температуры контактов одинаковы. Как только возникает различие температур контактов, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток, так как компенсация нарушается. Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов или дырок от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Так как вдоль однородного проводника имеется градиент температур, то возникает диффузия носителей: у охлажденного конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока.

В общем случае термоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая составляющая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, вторая - диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, третья составляющая возникает вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии - фононами , поток которых также распространяется к холодному концу. Удельная термоЭДС металлов невелика, и основной вклад в величину термоЭДС в цепи, состоящей из металлов, вносят разности потенциалов.

Для полупроводников основной причиной, вызывающей усиление термотока в эффекте Зеебека, является диффузия носителей. В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остается нескомпенсированный отрицательный заряд (если только аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака термоЭДС). В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоЭДС складываются. В полупроводниках со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то термоЭДС равна нулю.

Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Явление Зеебека широко используется для измерения температур и для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

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. 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.

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:

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. 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.

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.

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» .

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 .