В чем заключается эффект зеебека

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Практика использования, теоретические основы и современные тенденции

ЭФФЕКТЫ ЗЕЕБЕКА И ПЕЛЬТЬЕ

Томпсон открыл этот эффект приблизительно в 1850 году. Он заключается в поглощении или высвобождении тепла линейно пропорционально току, проходящего через однородный проводник, имеющий градиент температуры вдоль его длины. При этом тепло поглощается, если ток и тепловой поток направлены в противоположных направлениях, и выделяется — когда они имеют одинаковое направление). 3.34А). Он проверил этот эффект на других соединениях металлов при разных температурах и обнаружил, что каждый раз получается различная напряженность магнитного поля. Однако, Зеебек не догадался, что при этом через элементы течет электрический ток, поэтому назвал это явление термомагнетизмом [29].

Если взять проводник, и один его конец поместить в холодное место, а другой — в теплое, от теплого участка к холодному будет передаваться тепловая энергия. Интенсивность теплового потока при этом пропорциональна теплопроводности проводника. В дополнение к этому градиент температур приводит к появлению в проводнике электрического поля, обусловлено эффектом Томсона (В. В 1821 году физик Т. Зеебек (1770–1831), родившийся в Эстонии, а учившийся в Германии, изучая тепловые эффекты в гальванических устройствах, соединил полукруглые элементы, изготовленные из висмута и меди [28]. Неожиданно стрелка компаса, случайно лежавшего рядом, отклонилась (рис. Индуцированное электрическое поле приводит к появлению разности потенциалов.

Градиент температуры между произвольно расположенными точками определяет термо э.д.с между ними. Другие значения температур (к примеру, Tv ТА и Т5) не влияют на значение э.д.с. между точками 1 и 2. Для измерения э.д.с. вольтметр подсоединяется к проводнику, как отображено на рис. 3.34 Б. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Для измерения термо э.д.с. надо соответствующим образом подключить щупы вольтметра. Однако щупы вольтметра часто изготовлены из проводников, отличающихся от исследуемого проводника. Из соответствующей таблицы видно, что наилучшая чувствительность получается при соединении двух металлов, имеющих противоположные знаки коэффициентов а при их максимально возможных значениях.

В 1826 году А. Беккерель предложил использовать эффект Зеебека для измерения температуры. Однако первая конструкция термопары была разработана Генри Ле-Шателье почти шестьюдесятью годами позже [31]. Ему удалось обнаружить, что соединение проводов из платины и сплава платины и родия позволяет получить наибольшее термонапряжение. Ле-Шателье изучил и описал термоэлектрические свойства многих комбинаций металлов. Полученные им данные до сих пор используются при проведении температурных измерений. В Приложении приведены значения чувствительности некоторых наиболее распространенных типов термопар, соответствующие температуре 25°С, а на рис. 3.36 отображены напряжения Зеебека для стандартных термопар в широком температурном диапазоне. рекомендуется отметить, что термоэлектрическая чувствительность не является постоянной во всем интервале температур, и термопары обычно сравниваются при 0°С. Эффект Зеебека также используется в термоэлементах, которые, по существу, представляют собой несколько последовательно соединенных термопар. В настоящее время термоэлементы часто применяются для детектирования тепловых излучений (раздел 14.6.2 главы 14). Первые термоэлементы, изготовленные из проводов, были разработаны Джеймсом Джоулем (1818–1889) для увеличения выходного напряжения измерительного устройства[32].

Рис. 3.36. Зависимость выходного напряжения стандартных термопар от градиента температур между холодным и горячим спаями

В настоящее время эффект Зеебека применяется в интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких сенсоров является термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает достаточно крупным коэффициентом Зеебека, на его основе изготавли—

ваются высокочувствительные термоэлектрические детекторы. Рассмотрим простой контур для измерения термо э.д.с. (рис. 3.35 А). В таком контуре измеритель включается последовательно с проводником. Если контур выполнен из одинакового материала, то тока в цепи не будет, даже при неравномерной температуре вдоль его длины. Поскольку в этом случае две половины контура создадут токи равной величины, но противоположного направления, которые взаимно уничтожат друг друга. Термо э.д.с. возникает в любом проводнике с неравномерной температурой, но ее часто невозможно измерить напрямую.

Рис. 3.34. А — опыт Зеебека, Б — переменная температура вдоль проводника является причиной возникновения термо э.д.с

Рис. 3.35. Термоэлектрический контур: А — соединение идентичных металлов не приводит к появлению тока при любой разности температур, Б — соединение разных металлов индуцирует ток А.

Для исследования термоэлектричества необходимо иметь контур, составленный из jx&yx разных материалов (или из одинаковых материалов, но находящихся при различных условиях, к примеру, один — в напряженном состоянии, а другой нет).

Только тогда возможно определить разницу их термоэлектрических свойств. На рис. 3.35Б отображен контур, состоящий из двух различных металлов, в котором возникает разность токов. Величина А зависит от многих факторов, включая форму и размер проводников. Если вместо тока измерять напряжение на разомкнутом проводнике, разность потенциалов будет определяться только типом материалов и их температурой и не будет зависеть ни от каких других факторов. Индуцированная теплом разность потенциалов называется напряжением Зеебека.

Что происходит, когда два проводника соединяются друг с другом? Свободные электроны в металле ведут себя как идеальный газ. Кинетическая энергия электронов определяется температурой материала. Однако в разных металлах энергия и плотность свободных электронов не являются одинаковыми. Когда два разных материала, находящихся при равной температуре, соприкасаются друг с другом, свободные электроны за счет диффузии перемещаются через место соединения [30]. Электрический потенциал материала, принявшего электроны, становится более отрицательным, а материал, отдавший электроны, — более положительным. Разные концентрации электронов с двух сторон соединения формируют электрическое поле, уравновешивающее процесс диффузии, в результате чего устанавливается нето равновесие. Если контур является замкнутым, и оба соединения находятся при одинаковой температуре, электрические поля около них взаимно уничтожаются, чего не происходит, когда места соединений имеют разную температуру.

Последующие исследования показали [40], что эффект Зеебека является электрическим по своей природе. Можно утверждать, что термоэлектрические свойства проводников — это такие же объемные свойства материалов, как электро — и теплопроводность, а коэффициент аа — уникальная характеристика материала. При комбинировании двух разных материалов (А и В) всегда требуется определять напряжение Зеебека. Это можно сделать при помощи дифференциального коэффициента Зеебека:

Тогда напряжение на соединении равно:

dVAB = аАВ UT. (3.90)

Уравнение (3.90) иногда применяется для определения дифференциального коэффициента:

к примеру, функцию напряжения от градиента температуры для термопары Т-типа можно с достаточной степенью точности аппроксимировать при помощи уравнения второго порядка.

Тогда выражение для дифференциального коэффициента Зеебека принимает следующий вид:

Из уравнения видно, что коэффициент является линейной функцией от температуры. Иногда он называется чувствительностью термопарного соединения. Эталонное соединение, то, как правило, находится при более холодной температуре, называется холодным спаем, а второе соединение — горячим спаем. Коэффициент Зеебека не зависит от физической природы соединения: металлы могут быть скручены, сварены, спаяны и т.д. Имеет значение только температура спаев и свойства металлов. Эффект Зеебека является прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую.

В Приложении приведены значения термоэлектрических коэффициентов и объемных удельных сопротивлений для некоторых типов материалов. Эффект Зеебека связан с температурной зависимостью энергии Ферми Ер поэтому коэффициент Зеебека для кремния «-типа можно аппроксимировать функцией от электрического удельного сопротивления в интересующем температурном диапазоне (для сенсоров при комнатной температуре):

где р0=5х10»6 Омхм и т~2.5 являются константами, к — постоянная Больцмана, a q — электрический заряд. При помощи легирующих добавок получают материалы с коэффициентами Зеебека порядка 0.3. 0.6 мВ/К. В Приложении приведены значения коэффициентов Зеебека для некоторых металлов и кремния. Из соответствующей таблицы видно, что коэффициенты Зеебека для металлов гораздо меньше, чем для кремния, и что влияние алюминиевых выводов на микросхемы незначительное из-за высокого значения коэффициента Зеебека для кремния.

В начале девятнадцатого века французский часовщик, в последствии ставший физиком, Жан Шарль Атанас Пельтье (1785–1845) обнаружил, что при прохождении электрического тока из одного материала в другой, в месте их соединения происходит либо выделение, либо поглощение тепла [33], что зависит от направления тока:

рекомендуется отметить, что количество тепла не зависит от температуры других соединений.

Эффект Пельтье — это выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через соединение двух различных металлов. Это явление характерно и для случаев, когда ток поступает от внешних источников, и когда он индуцируется в спае термопары из-за эффекта Зеебека.

Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что осуществляется изменением направления тока. Это свойство нашло свое применение в устройствах, где требуется осуществлять прецизионный контроль за температурой. Считается, что эффекты Пельтье и Зеебека имеют одинаковую природу. Однако рекомендуется хорошо понимать, что тепло

Пелътье и Джоуля отличаются друг от друга. Тепло Пельтье в отличие от джоулева тепла линейно зависит от силы тока. (Тепло Джоуля выделяется при прохождении электрического тока любого направления через проводник, имеющий конечное сопротивление. Высвобождаемая при этом тепловая энергия пропорциональна квадрату тока: Р= P/R, где R — сопротивление проводника). Величина и направленность тепловой энергии Пельтье не зависит от физической природы соединения двух различных материалов, а полностью определяется их объемными термоэлектрическими свойствами. Эффект Пельтье используется для построения термоэлектрических охладителей, применяемых для снижения температуры детекторов фотонов, работающих в дальнем ИК диапазоне спектра (раздел 14.5 главы 14), а также охлаждаемых зеркальных гигрометров (раздел 13.6 главы 13).

Необходимо помнить, что в любом месте схемы, где соединяются два или более различных металла, имеющих разную температуру, всегда возникает термоэлектрический ток. Эта разность температур всегда сопровождается явлением теплопроводности Фурье, а при прохождении электрического тока вьщеляется тепло Джоуля. В то же самое время протекание электрического тока всегда связано с эффектом Пельтье: выделением или поглощением тепла в местах соединения различных металлов, при этом разность температур также вызывает появление эффекта Томпсона: нагрев или охлаждение проводников вдоль их длины. Величина показывает с какой скоростью происходит выделение или высвобождение тепла на единицу разности температур и на единицу массы [34, 35].

По вопросам размещения статей пишите на email:

Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона

Работа термоэлектрических холодильных машин и генераторов базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.

Термоэлектрические свойства проводников обусловлены связями между тепловыми и электрическими потоками:

• эффект Зеебека — возникновение термо-ЭДС в цепи неоднородных проводников, при различных температурах ее участков ;
• эффект Пельтье — поглощение или выделение тепла на контакте двух различных проводников при пропускании через них постоянного электрического тока ;
• эффект Томсона — поглощение или выделение тепла (сверхджоулевого) в объеме проводника при пропускании через нега пост, электрического тока при наличии градиента температур.

Эффект Зеебека, Пельтье и Томпсона относятся к числу кинетических явлений. Они связаны с процессами перемещения заряда и энергии, поэтому их часто называют явлениями переноса. Направленные потоки заряда и энергии в кристалле порождаются и поддерживаются внешними силами: электрическим полем, градиентом температуры.

Направленный поток частиц (в частности, носителей заряда — электронов и дырок) возникает также при наличии градиента концентрации этих частиц. Магнитное поле само по себе не создает направленных потоков заряда или энергии, однако влияет на потоки, создаваемые другими внешними воздействиями.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т1 (горячий спай), а на другом температуру Т2 (холодный спай), то при условии Т1 не равна Т2 на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.

При наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает термодиффузионный поток носителей заряда от горячего конца к холодному. Если электрическая цепь разомкнута, то носители накапливаются на холодном конце, заряжая его отрицательно, если это электроны, и положительно в случае дырочной проводимости. При этом на горячем конце остается нескомпенсированный заряд ионов.

Возникающее электрическое поле тормозит носители, движущиеся к холодному концу, и ускоряет носители, движущиеся к горячему. Формируемая градиентом температуры неравновесная функция распределения смещается под действием электрического поля несколько деформируется. Результирующее распределение таково, что ток равен нулю. Напряженность электрического поля пропорциональна вызвавшему его градиенту температуры.

Величина коэффициента пропорциональности и его знак зависят от свойств материала. Обнаружить электрическое поле Зеебека и измерить термоэлектродвижущую силу можно лишь в цепи, составленной из разнородных материалов. Контактные разности потенциалов соответствуют разнице химические потенциалов материалов, приведённых в контакт.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока).

Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).

Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты.

Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному.

На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает.

Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.

Практическое применение эффекта Томсона не нашел, но его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.

Практическое использование эффектов Зеебека и Пельтье

Термоэлектрические явления: эффекты Зеебека и Пельтье — находят практическое использование в безмашинных преобразователях тепловой энергии в электрическую — термоэлектрогенераторах (ТЭГ), в тепловых насосах — охлаждающих устройствах, термостатах, кондиционерах, в измерительных системах и системах управления в качестве датчиков температуры, теплового потока (смотрите — Термоэлектрические преобразователи).

Основой термоэлектрических приборов являются специальные полупроводниковые элементы-преобразователи (термоэлементы, термоэлектрические модули), например такие как TEC1-12706. Подробнее читайте здесь: Элемент Пельтье — как устроен и работает, как проверить и подключить

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство

Эффект Зеебека (ЭЗ) представляет процесс появления разницы потенциалов вместе соединения двух разных материалов вследствие нагревания указанной области. Данный эффект был получен Зеебеком в 1822 году. Именно тогда он провел опыт нагревания контакта из двух материалов, используя для этого висмут и сурьму. Для фиксирования получаемых изменений был использован гальванометр. Придерживая стык соединенных материалов, он увидел, что магнитная стрелка отклонилась от начального положения. Естественно, что разница была не такой заметной. Однако опыты повторялись вновь и вновь, благодаря чему удалось получить требуемый результат.

Указанный эффект появился вследствие появления электрической движущей силы в замкнутом контуре, выполненном из разных материалов. Чуть позже выяснилось, что различие температур вызывается появлением термоэдс. А уже следствием термоэдс в замкнутом контуре становится электрический ток. Сегодня данный эффект находит применение во многих областях. Но наибольшее его применение в современном мире можно наглядно увидеть в термопарах.

Устройство

Эффект Зеебека заключается в создании термопары, которая состоит из двух разнородных металлов, образующих друг с другом замкнутый контур. Металлы друг от друга отличаются разными коэффициентами Зеебека, вследствие чего возникает напряжение между нагретым проводником термопары и ненагретым проводником. Это напряжение прямо пропорционально разности их температурных значений.

Во многих термоэлектрических устройствах применяется эффект Зеебека. В большинстве случаев в структуру термоэлектрических генераторов включаются термобатареи, которые набираются из полупроводниковых термических элементов. Они могут соединяться параллельно либо последовательно. Также туда входят теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термических батарей.

Типичная схема цепи термоэлектрического генератора состоит из:

• Термоэлемента полупроводникового типа, который выполнен из ветвей контактов p- и n-типа проводимости. Эти контакты имеют различные знаки коэффициента термоэлектродвижущей силы.
• Пластин коммутации, которые имеют нагреваемые и ненагреваемые спаи.
• Активной нагрузки.

При включении термоэлемента на нагрузку в контуре начинает течь постоянный ток, который вызван ЭЗ. Именно этот же ток приводит к поглощению и выделению тепла на спайках. Чтобы обеспечить высокий коэффициент ЭДС, подобные полупроводниковые материалы должны выделяться отличной электрической проводимостью. А для получения существенного перепада температур между нагретыми и ненагретыми спаями, достаточно невысокую теплопроводность.

Под такие параметры наилучшим образом подходят высоколегированные материалы.

Принцип действия

Эффект Зеебека в том, что в замкнутом контуре с жилами из разных материалов, может появиться ЭДС тогда, когда их контакты имеют отличающиеся показатели температуры. Если говорить по-простому, то параметр возникающей ЭДС во многом зависит от применяемых материалов проводников, в том числе от температур ненагретого и нагретого проводника.

При наличии в проводнике градиента температур по всей длине наблюдается явление, при котором электроны на нагретом конце имеют на порядок большие скорости и энергии, чем в не нагретом. Вследствие этого появляются электроны, которые направляются к холодному концу. Именно на нем скапливается минусовой заряд. На нагретом же конце происходит накапливание плюсового заряда.

Накопление заряда наблюдается до того момента, пока потенциальное отличие не достигнет показателя, при котором электроны не начнут течь обратно, вследствие чего потенциал придет в равновесие.

Эффект Зеебека характеризуется появлением различных свойств:

• Наблюдается появление разности потенциалов между контактами. Объясняется это тем, что на разных проводниках, которые контактируют друг с другом, имеется разная энергия Ферми. В результате при замыкании цепи по­тен­ци­а­лы элек­тро­нов имеют одинаковое состояние, вследствие чего появляется разность потенциалов между контактами. На контактах появляется элек­три­че­ское поле, которое локализуется в тончайшем приграничном слое.

При замыкании цепи появляется напряжение на проводниках. Направление электрического поля идет в обоих контактах от большего к меньшему. Если температура контактов изменить, то напряжение также будет меняться. Но с изменением разности потенциалов будет меняться и электрическое поле в одном из контактов. В результате появится ЭДС в контуре. Если проводники будут иметь равную температуру, то объемная и контактная ЭДС в указанном случае будут равны нулю.

• Наблюдается появление фононового увлечения. При наличии в твердом теле градиента температурного диапазона число фононов, которые направляются в конец ненагретого проводника, будет увеличиваться. Их будет становиться больше, чем тех, что идут в обратном направлении. Вследствие происходящих столкновений с электронами фононы будут утягивать вслед за собой другие. В результате на нагретом проводнике будет происходить накопление отрицательного заряда. Тогда как в нагретом проводнике будут накапливаться положительные заряды до того момента, пока разность потенциалов не сравняется с эффектом увеличения. Разность по­тен­ци­а­лов при низких тем­пе­ра­ту­рах способна достигать параметров выше в сотни раз.
• Наблюдается появление магнонного увлечения, но только в проводниках, выполненных из магнитных материалов. ЭДС появляется вследствие увлечения элек­тро­нов маг­но­на­ми.

Практическое применение

Такие устройства находят обширное применение в повседневной жизни человека. К примеру, посещая сауну, мало кто задумывается, что температура в ней поддерживается при помощи термопары.

То есть термопара — это термоэлектрический термометр, который выполнен из двух разных металлов. Они соединяются при помощи сварки. При этом один конец размещается непосредственно в сауне, а другие свободные концы выводятся наружу и подключаются к мерительному устройству. Когда печь нагревает помещение сауны, то концы термопары работают в совершенно разных температурных значениях. В результате этого появляется температурный градиент, который ведет к появлению термического тока, то есть термоэлектродвижущей силы.

Мерительное устройство выполняет преобразование термического тока в показания термометра или выступает в качестве датчика температуры. В результате при достижении определенной установленной температуры печь в сауне включается или отключается. Зная, что из себя представляет эффект Зеебека, можно даже управлять температурой в сауне. Если доступ к блоку управления печью в городской бане, к примеру, закрыт на замок, то управлять температурой можно и без него. С этой целью необходимо на конец термической пары намотать смоченную в воде тряпку или платочек. Термопара «остудится», что приведет к повышению температуры в помещении. Но это нужно делать с осторожностью, не привлекая внимания администратора сауны.

Применение

Эффект Зеебека на сегодняшний день применяется в самых разных устройствах. Примером этому могут быть сенсоры напряжения, датчики температуры, датчики давления газа, термоэлектрогенераторы, датчики интенсивности света и тому подобное.

Сегодня устройства, которые работают на ЭЗ, используются в:

• Навигационных системах кораблей и пароходов, бороздящих моря и океаны.
• Промышленных и бытовых генераторах.
• Устройствах энергетического обеспечения космических кораблей.
• Преобразователях солнечной энергии.
• Отопительных устройствах.
• Устройствах, используемых в оборудовании для перекачки и переработки газа, и нефти.
• Преобразователях тепла, которое вырабатывают источники природы. К примеру, это могут быть источники геотермальной воды.
• Космических зондах, которые летят по просторам вселенной.
• Различных термоэлектрических датчиках и так далее.

Будущее

Эффект Зеебека довольно сильно интересует ученых. Сравнительно недавно ученые из Огайо разработали технологию, которая позволяет сделать эффект невероятно эффективным. Основным недостатком современных устройств в том, что данный эффект не позволяет вырабатывать значительное количество энергии даже при использовании сильнолегированных контактов и имеющих высокую разность температур.

Ученые предлагают использовать немагнитный полупроводник, который устанавливается во внешнее магнитное поле с температурой в пределах 2-20 К. В этом случае появляется гигантский спиновый эффект Зеебека. Использование подобных термопар дает возможность существенно увеличить показатели применяемых устройств, расширить их функциональность и применение.

Самый простой пример – это их использование в качестве теплоотводящих устройств в системах кондиционирования и охлаждения. Благодаря отсутствию движущихся частей и дешевизне применяемых элементов оборудование будет работать безотказно десятками лет, а стоимость эксплуатации будет невероятно низкой. Такие термопары даже смогут вырабатывать ток из тепла для подпитки устройства, которое его выделяет. К примеру, их можно использовать для охлаждения персонального компьютера. А спиновой эффект может быть использован для создания электроники нового поколения.

Похожие темы:

• Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект
• Терморезисторы. Виды и устройство. Работа. Параметры
• Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
• Электрофорная машина. Устройство и работа. Особенности
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
• Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
• Пироэлектричество. Появление и применение. Особенности
• Эффект Джозефсона. Работа и применение. Особенности
• Эффект Томсона. Физическая суть и работа. Особенности

200 лет эффекту Зеебека: история и применение термоэлектрических преобразователей в энергетике

В этом году празднуется 200-летие с открытия эффекта Зеебека. На лекции ты сможешь окунуться в его историю и узнать как и где можно использовать термоэлектрические преобразователи в качестве альтернативных источников энергии.

19 октября 2021
Вы добавили этот материал в Понравившееся. Его можно найти в Личном кабинете

Комментарии

Поделитесь своими мыслями, используя поле для комментариев выше.

Конспект

Спикер: Александра Иванова, инженер научно-го образовательного центра энергоэффективностиь.

Лекция спикера начинается с истории эффекта Зеебека. Александра Иванова отмечает, что началась она с электромагнетизма. Зеебек начал искать доказательства о различийях электрических и магнитных явлений. Она повествует о том, что в одном из своих опытов он взял минусовый стержень, а также концы плюсового стержня, к ним прикрепил медную проволоку, а посередине разместил магнитную стрелку. Сжав медную проволоку пальцами, онб зафиксировал движение магнитной стрелки. Зеебек связал это с явлением термомагнетизма. Изучив данную работу, Эрстед опровергнул теорию термомагнетизма, связывая данное явление с электричеством. Научное сообщество поддержало мнение Эрстеда, однако название эффекта закрепилось за Зеебеком, как за первооткрывателем. Сущность термоэл

ектрического эффекта Эрстед объяснил разницей температур в месте спая разнородных проводников, внутри которых течёет ток.

После изучения эффекта Зеебека, были открыты ещёе два эффекта: эффект Пельтье и эффект Томсона. Принцип эффекта Пельтье заключается в возникновении разности температур на концах спаев при пропускании тока через разнородные проводники. Эффект Томсона является ничем иным, как объединением эффекта Пельтье и Зеебека.

Попутно с открытиямию новых эффектов, эффект Зеебека, применение которого осуществлялось в области термоэлектрических батарей, приобретал свою популярность. После прорыва в области термоэлектричества, команда Абрама Фёдоровича Иоффе собрала термоэлектрический генератор, принцип работы которого был прост. Внутрь котелка в полевых условиях заливалась вода, которая доводилась до кипения. Разность температур кипения воды и горения костра давала разность потенциалов, питающуюая полевую радиостанцию.

Применение элементов Пелетье было задействовано в области производства автомобильных холодильников, которые питались от сети машины через USB- порт. Также, эффект Пелетье использовался для охлаждения микросхем и ПЗСпзс- датчиков. В случае термоэлектрических генераторов —- они тоже нашли широкое применение в радиоизотопных, атомных, солнечных и утилизационных областях. Говоря о материалах, используемых для производства электрических генераторов, спикер отметила их неодинаковую эффективность.

«Не любой материал может обладать одинаковой эффективностью при низких температурах и при высоких температурах. Есть низкотемпературные термоэлектрические материалы, среднетемпературные материалы и высокотемпературные материалы».

Ученые выяснили, что в 2021 году коэффициент полезного действия термоэлектрических генераторов повысился на 8% по сравнению с 2010 годом. Это позволяет прогнозировать разработки термоэлектрических генераторов с КПД, равным 40%, к 2040 году. Данный результат даст возможность их использования наравне с другими альтернативными источниками энергии.