Сообщение на тему термоэлектрический эффект термоэлементы

Обновлено: 07.07.2024

Эффект Зеебека (ЭЗ, термоэлектрический эффект) определяет появление разницы потенциалов в месте соединения двух разнотипных материалов после нагрева определяемого участка. Эффект назван в честь ученого, который выявил его в 1822 году. В это время был проведен опыт нагрева контактов двух различных по типу сплава материалов, где был взят висмут и сурьма. Фиксирование полученных изменений было произведено за счет гальванометра. Удерживая участок стыка соединённых металлов, ученый обнаружил, что магнитная стрелка поменяла свое положение. Конечно, эта разница была не столь заметной, но дальнейшие опыты привели к требуемому результату.

Термоэлектрический эффект был обнаружен по причине возникновения движущейся электрической силы в рамках замкнутого контура, который состоял из разных материалов. Со временем было выявлено, что разница температур вызвана появляющимся термоэдс, следствием которого является возникновение тока в замкнутом контуре. На сегодняшний день эффект Зеебека полностью изучен и нашел свое применение во многих сфера деятельности человека. Но, самая высокая его востребованность наблюдается в производстве термопар.

Устройство

Термоэлектрический эффект заключается в производстве термопар, состоящих из 2-х разнородных сплавов, которые при контакте образуют замкнутый контур. Каждый металл имеет свой коэффициент Зеебека из-за чего между нагретым, и не нагретым проводником термопары появляется напряжение. Именно за счет этого напряжения и определяется термическая составляющая, т. к. оно прямо пропорционально разности температурных значений металлов.

Эффект Зеебека применим в большинстве термоэлектрических устройств. В большей части структур термоэлектрических генераторов включены термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов. Они могут быть соединены в параллельном или в последовательном порядке. Еще к ним относятся теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термобатарей.

В стандартной схеме цепи термоэлектрических генераторов имеются:

Полупроводниковый термоэлемент, выполненный из ветвей проводимости по типу p- и n-. У этих контактов знаки коэффициента термической движущей силы разные.

Пластины коммутации, имеющие нагреваемые и не нагреваемые спаи.

Во время включения термического элемента к нагрузке контура по нему начинает проходить постоянный ток, вызванный ЭЗ. Протекающее электричество поглощается спайками и выделяется в виде тепла. Для обеспечения высокого уровня ЭДС, подобные полупроводники должны обладать высокой электропроводностью. Чтобы получить существенный перепад температуры на промежуточном участке между спаями, достаточна их невысокая тепловая проводимость. Такими характеристиками наилучшим образом обладают материалы с высоким легированием.

Принципы действия

Главным образом эффект Зеебека действует по принципу того, что в замкнутом контуре двух разных материалов ЭДС появляется тогда, когда их контакты имеют разные температурные значения. Иными словами, значение ЭДС зависит от состава проводников и их температур. Если в наличии проводника есть температурный градиент, то по всей его длине будет наблюдаться увеличенная скорость электронов на нагретом конце и более низкая на ненагретом. По законам физики, электроны с нагретого конца направятся к противоположной стороне. В данном участке будет скапливаться отрицательный заряд. Противоположная сторона будет иметь накопление положительно заряженных частиц.

Заряды будут накапливаться до тех пор, пока потенциальное отличие не достигнет показателей, при которых электроны потекут обратно. В данных условиях потенциал начнет приобретать равновесие.

Эффекту Зеебека характерны различные свойства:

Между контактами возникает разность потенциалов. На разных контактирующих друг с другом проводках энергия Ферми также разная. При замыкании цепи потенциалы электронов будут иметь одинаковое состояние, а между контактами возникнет разность потенциалов. На контактах появится электрическое поле, локализованное в тонком приграничном слое.

В условиях замыкания цепи на проводках появится напряжение. Направление электрополя в двух контактах продвигается от большего к меньшему. При изменении термических значений напряжение также будет меняться. Но, в условиях изменения разности потенциалов изменится и электрическое поле в одном из контактов, результатом чего будет возникновение ЭДС в контуре. Если температура проводников будет равной, то объемная и контактная ЭДС приравняются к отметке 0.

Возникает фоновое увеличение. Если в твердом теле появляется градиент термического диапазона количество фонов, направляющихся к концу ненагретого проводника, увеличится. Их число будет возрастать сравнительно с теми, которые направляются к обратной стороне. Из-за столкновения с электронами фононы утянут за собой и другие. В итоге прогретый проводник накопит отрицательные заряды. А к нагретому проводнику будут прибывать положительные частицы, пока разница потенциалов не уравняется с эффектом увеличения. Разность потенциалов при низких температурах способна достигать параметров выше в сотни раз.

В проводниках с магнитными свойствами наблюдается магнонное увеличение. ЭДС возникает вследствие увеличения электронов магнонами.

Применение на практике

Устройства, созданные по принципу Зеебека, нашли широкое применение в быту и повседневной жизни людей. Например, приходя в сауну практически никто не задумывается, что температуру в ней контролируют за счет обычной термопары.

Термопара — это термоэлектрический измеритель, выполненный из двух разнородных металлов, которые между собой соединены за счет сварки. Один из ее концов помещают в самой сауне, а другой просто выводят наружу и подсоединяют к измерительному прибору. Когда воздух в сауне прогревается, разные концы термопары находятся в совершенно разной термической атмосфере и работаю при разных значениях. В таких условиях возникает градиент температур, что приводит к возникновению термического тока. Датчик к которому подключен ненагреваемый конец термопары преобразовывает термический ток в температурный показатель и автоматизирует подключение и отключение печи при наборе или спаде заданной температуры. Таким образом, осуществляется не только контроль, но и регуляция температуры в помещении сауны. Интересно знать, что если доступ к блоку управления температурой закрыт, например, в городских банях, то проводить управление температурой можно и без него. Для этого нужно можно на конец термопары намотать смоченную в холодной воде ветошь (ткань). Термопара охладится, и печь продолжит нагрев.

Применение

Примером использования эффекта Зеебека служат множество современных устройств: сенсоры напряжения, температурные датчики, измерители газового давления, термические электрогенераторы, контролеры интенсивности освещения и мн. др.

Приборы, работающие по принципу Зеебека, применяют:

В системах навигации;

В генераторах, промышленного и бытового значения;

В энергетически обеспечительных установках космического назначения;

В преобразователях солнечной энергии.

В отопительном оборудовании.

В установках служащих для перекачивания и переработки нефтяной продукции и газа;

В преобразователях тепловой энергии, вырабатываемой природными источниками.

Будущее

Эффектом Зеебека сильно заинтересованы ученые всего мира. Совсем недавно американские ученые разработали технологию, позволяющую использовать данный принцип с большой эффективностью. Основным недостатком современного оборудования является невозможность с помощью ЭЗ вырабатывать энергию в супер огромном количестве даже в условиях применения сильнолегированных металлов с высокой разностью температур.

Научные деятели предложили прибегнуть к немагнитным проводникам, которые можно устанавливать во внешнее магнитное поле с температурными пределами 2-20 К. В данном случае должен возникнуть огромный спиновый эффект Зеебека. Применение таких термических измерителей даст возможность значительно увеличить показания используемых приборов, расширить их функциональные возможности и сферы применения.

Самым простым примером является их применение в роли устройств для отвода тепла в системах кондиционирования и охлаждения. За счет того, что движущиеся частицы в данном случае будут отсутствовать, а дешевые материалы для их функционирования будут работоспособными много лет — это чрезвычайно выгодно. Термопары нового поколения даже смогут выдавать ток для подпитки приборов, которые сами его выделяют. Их можно применять для охлаждения компьютерного процессора. А спиновой эффект можно будет использовать для производства электронных устройств нового поколения.

Термоэлектрические явления являются одними из наиболее изучаемых процессов в современной физике. Это обусловлено тем, что длительное время люди не имели достаточного уровня развития технологий для реализации многих схем. Преобразование тепловой энергии в электричество особенно актуально для стран с мощной вулканической активностью на их территории. Сейчас наиболее продвинутым государством в этом плане является Исландия, опоясанная кольцом огненных гор. Они даже позволяют себе отапливать тротуары при помощи трубчатых нагревательных элементов. Электроэнергия у них может стать практически бесплатным ресурсом для населения в течение следующих 10 лет. Энергетики бурят скважины до лавы, а затем вставляют туда мощные термопары. Таких вулканических электростанций они строят десятки и сотни.

Общие сведения

В общем понимании термическая электрика это смесь всех физических взаимодействий, которые происходят в результате теплового воздействия на металлы и полупроводники при условии постоянного выделения электричества. В некоторой степени все они используют одинаковый принцип. Тепловое равновесие активно нарушается, поэтому электроны начинают вырабатывать в потоке энергию Ферми. Концентрация электронов и плотность их потока является базовой величиной при всех вычислениях.

Три основных эффекта

В данные момент существует множество частных случаев, но при этом изучению подлежат только три базовых направления, получивших названия по именам открывших их учёных:

Все три типа явлений имеют определенные отличия, обязательные к учёту при проектировании электрических машин, основанных на выработке тока из тепловых калорий. Регулярное появление сложных многокомпонентных материалов только расширяет поле деятельности для учёных. Также этому способствует молекулярная структуризация.

Применение в будущем

Солнечные батареи можно довести до КПД близкого к 100%. В данный момент эксперты называют ориентировочную цифру в 95, а оставшееся количество будет списано на потери при передаче конечному потребителю. Сейчас установленные в пустынях солнечные электростанции могут разогреваться до 150 градусов по Цельсию на поверхности, но это тепло никуда не используется, оно полностью уходит в воздух холодными ночами. Если эту энергию использовать в дело, то эффективность резко повысится на 300-500%, что сделает данный альтернативный источник надежным подспорьем атомной энергетике.

Эффект Зеебека(другое название – термоэлектрический эффект)— явление образования электродвижущей силы внутри замкнутой электропроводящей цепи, сформированной разнородными проводниками (изготовленными из ТЭМ) с помощью последовательного соединения и разницы в температуре на спаях. Обратный данному эффекту носит название эффекта Пельтье .

К числу термоэлектрических материалов (ТЭМ) относят сплавы, обладающие свойствами полупроводников, а также варианты химических соединений со значимыми термоэлектрическими параметрами, а потому подходящие для применения в конструкции термоэлектрических устройств. Есть три базовых варианта использования ТЭМ, в том числе для конструирования:

Термоэлектрических генераторов;
Термоэлектрических холодильников;
Измерителей температур (в диапазоне от абсолютного нуля до тысяч градусов по Кельвину).

Согласно опытам, в условиях незначительной температурной разницы между спаями термоэлектродвижущая сила в пропорциональном отношении сопоставима с разностью температур элементов, составляющих цепь.

Кроме того, любая диада с однородными проводниками, работающими в соответствии с законом Ома, обладает величиной термоэлектродвижущей силы, определяемой только качествами проводящих материалов и разностью температур, независимо от того, как эти температуры распределены между контактами.

Термопара

Если для формирования цепи использовались всего два различных проводника, то эта комбинация носит название термоэлемента или термопары. То, насколько высоким будет уровень термо-электродвижущей силы, определяется тем из каких материалов сделаны проводники и разница между температурами контактов.

Термопары применяются в основном для определения температур.

Чтобы производить измерение температурных значений вплоть для 1400 градусов по Кельвину, будет вполне достаточно применить неблагородные материалы, для измерителей с диапазоном до 1900 градусов будут нужны металлы, относящиеся к платиновой группе, а специальные особо сильные измерители изготавливаются из специальных жаростойких сплавов.

Наиболее обширно распространились модули типа хромель-алюмень. Они оптимальны для работы в окислительных средах, потому как во время нагревания на их поверхности образуется защитное покрытие из оксилов, что не даёт кислороду проникать внутрь сплава. В восстановительной среде эффект становится строго противоположным.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы применяются для того, чтобы с их непосредственной помощью преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Их работа в большинстве своём также построена на эффекте Зеебека, который может обеспечить даже преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму энергии электрической, которую тут же можно направлять на подпитку разнообразных устройств.

Подобные генераторы выгодно отличаются тем, что:

Гарантируют длительность срока службы без каких-либо проблемных моментов, а также отсутствие ограничений для хранения в неактивном состоянии;
Характеризуются устойчивым режимом работы, ликвидирую риск возникновения короткого замыкания;
Работают совершенно бесшумно, поскольку их конструкция не включает никаких подвижных элементов.

Благодаря своим свойствам эти генераторы активно используются в труднодоступных точках планеты, в местах с повышенными требованиями к устойчивости работы генератора и во многих отношениях являются просто незаменимыми.

Сферы применения эффекта Зеебека

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности – 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

Энергообеспечение космической техники;
Питание газо- и нефте- оборудования;
Бытовые генераторы;
Системы морской навигации;
Отопительные системы;
Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;
Преобразователи солнечной энергии;
Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось - это поможет развитию канала

Термоэлектрические явления представляют взаимосвязь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Суть явления — разница температур создаёт электрический потенциал.

Явление Зеебека

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил явление которое в условиях разности температур между двумя разнородными проводниками может производить электричество.

Томас Иоганн Зеебек

Явление Зеебека основывается на эффекте что тепло, подаваемое на горячий переход, вызывает протекание электрического тока в цепи вырабатывая электрическую энергию.
Используя первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии), разность между теплом передаваемым от высокотемпературного источника к низкотемпературному составляет выходную электрическую мощность (минус КПД, конечно).

Следует отметить, что этот энергетический цикл очень напоминает энергетический цикл теплового двигателя (двигателя Карно), поэтому в этом отношении термоэлектрический генератор энергии можно рассматривать как уникальный тепловой двигатель.

Носители заряда в материалах (электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в ионных проводниках) будут диффундировать, когда один конец проводника находится при другой температуре, чем другой.

Горячие носители диффундируют от горячего конца к холодному концу, так как существует более низкая плотность горячих носителей на холодном конце проводника.
Холодоносители диффундируют от холодного конца к горячему по той же причине.

Если бы проводник был оставлен для достижения равновесия, этот процесс привел бы к равномерному распределению тепла по всему проводнику. Движение тепла (в виде горячих носителей заряда) от одного конца к другому называется тепловым током. Поскольку носители заряда движутся, это создает электрический ток.
В системе, где оба конца удерживаются при постоянной температуре относительно друг друга (постоянный тепловой ток течет от одного конца к другому), происходит постоянная диффузия носителей.

Явление Пельтье

Уникальным аспектом термоэлектрического явления преобразования является то, что направление потока энергии является обратимым. Так, например, если снять нагрузочный резистор и заменить источник постоянного тока, то это устройство можно использовать для отвода тепла от элемента источника тепла и снижения его температуры.

В этой конфигурации запускается обратный процесс преобразования энергии, использующих электричество для перекачки тепла.
Это термоэлектрическое явление открыл французский физик Жан-Шарль Пельтье в 1834 году.

Термоэлектрический генератор

Принцип эффекта Зеебека положен в основу термоэлектрического генератора.
В целом, термоэлектрический генератор энергии демонстрирует низкую эффективность из-за относительно небольшого показателя полезного действия из доступных в настоящее время материалов.
Коэффициент преобразования термоэлектрического генератора энергии, определяемый как отношение мощности, подаваемой на тепловой ввод в горячем соединении устройства составляет от 0,07 до 0,12.

КПД термоэлектрического генератора зависит от типов источника тепла и основных составляющих генераторных узлов. Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло проходит через преобразователь к теплоотводу, который поддерживается при температуре ниже температуры источника. Перепад температур по преобразователю производит постоянный ток к нагрузке.
Такого типа термоэлектрические явления не используют никакой промежуточный процесс преобразования энергии. По этой причине производство такой энергии классифицируется как прямое преобразование энергии. Количество вырабатываемой электроэнергии задается P=I 2 R.
Этот эффект рекуперации отработанного тепла можно использовать во многих областях, таких как автомобили, котлы, дровяные печи и т. д. Эффективность термоэлектрического генератора зависит от используемых материалов.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы (те, которые используются в коммерческих целях) удобно разделить на три группы в зависимости от температурного диапазона работы.

сплавы на основе висмута (Bi) в сочетании с сурьмой (An), теллуром (Te) или селеном (Se) относятся к низкотемпературным материалам и могут использоваться при температурах до 180 градус Цельсия;
промежуточный температурный диапазон — до 550 градус Цельсия — это режим материалов на основе сплавов свинца (Pb);
термоэлементы, применяемые при самых высоких температурах, изготавливаются из сплавов SiGe и работают до 1000 градус Цельсия.

Хотя вышеупомянутые материалы все еще остаются краеугольным камнем для коммерческого и практического применения в производстве термоэлектрической энергии, были достигнуты значительные успехи в синтезе новых материалов и изготовлении структур материалов с улучшенными характеристиками. Усилия были сосредоточены главным образом на повышении качества материала, а следовательно, и эффективности преобразования за счет снижения теплопроводности решетки.

Практическое применение

Практическое применение термоэлектрических явлений широко: от небольших тепловых электростанций до радиоизотопных источников энергии.

Пример применения
Существующая система зарядки аккумулятора для автомобилей потребляет 10 % топлива, а значит, и КПД двигателя снижается. Эта система должна быть заменена системой зарядки аккумулятора использующей термоэлектрические явления. Система зарядки аккумулятора по принципу отбора тепла производимого двигателем внутреннего сгорания является эффективной, легкой по весу и надежной. Срок службы аккумуляторной батареи при использовании этого эффекта подзарядки может быть увеличен.

Читайте также: