Термоэлектрический эффект
Эта статья посвящена термоэлектрическому эффекту как физическому явлению. О применении термоэлектрического эффекта см. в разделе Термоэлектрические материалы и термоэлектрическое охлаждение.
Термоэлектрический эффект - это прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение и наоборот с помощью термопары. Термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда с каждой стороны разная температура. И наоборот, когда к нему прикладывается напряжение, тепло передается от одной стороны к другой, создавая разницу температур. В атомном масштабе приложенный градиент температуры приводит к тому, что носители заряда в материале диффундируют с горячей стороны на холодную.
Этот эффект может быть использован для выработки электроэнергии, измерения температуры или изменения температуры объектов. Поскольку приложенное напряжение влияет на направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства могут использоваться в качестве регуляторов температуры.
Термин "термоэлектрический эффект" охватывает три отдельно выделенных эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона. Эффекты Зеебека и Пельтье являются различными проявлениями одного и того же физического процесса; в учебниках этот процесс может называться эффектом Пельтье–Зеебека (разделение происходит от независимых открытий французского физика Жана Шарля Атаназа Пельтье и прибалтийско-немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека). Эффект Томсона является продолжением модели Пельтье–Зеебека и приписывается лорду Кельвину.
Джоулев нагрев, тепло, которое выделяется при пропускании тока через проводящий материал, обычно не называется термоэлектрическим эффектом. Эффекты Пельтье–Зеебека и Томсона термодинамически обратимы, тогда как джоулев нагрев - нет.
Значения термо-э.д.с. металлов и сплавов[править]
Значения величин термо-э.д.с. при разности температуры спаев на 10С для термопар, составленных из спаев свинца и металла или сплава для температур 0 - 1000С.
| Вещества образующие термопару со свинцом | Термо-э.д.с., мкв |
|---|---|
| Металлы | |
| Сурьма | +43 |
| Железо | +15 |
| Молибден | +7,0 |
| Кадмий | +4,6 |
| Свинец | 0 |
| Вольфрам | +3,6 |
| Медь | +3,2 |
| Цинк | +3,1 |
| Золото | +2,3 |
| Серебро | +2,3 |
| Олово | -0,2 |
| Магний | 0 |
| Алюминий | -0,4 |
| Ртуть | -4,4 |
| Платина | -4,4 |
| Натрий | -6,5 |
| Палладий | -8,9 |
| Калий | -13,8 |
| Никель | -20,8 |
| Висмут | -68 |
| !Сплавы | |
| Хромель | +24 |
| Нихром | +18 |
| Платинородий | +2 |
| Алюмель | -17,3 |
| Константан | -38 |
| Копель | -38 |
Эффект Зеебека[править]
Эффект Зеебека - это электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает в двух точках электропроводящего материала при разнице температур между ними. ЭДС называется ЭДС Зеебека (или термо/термическая/термоэлектрическая ЭДС). Соотношение между ЭДС и разностью температур называется коэффициентом Зеебека. Термопара измеряет разницу потенциалов на горячем и холодном концах для двух разнородных материалов. Эта разность потенциалов пропорциональна разнице температур между горячим и холодным концами. Впервые обнаружен в 1794 году итальянским ученым Алессандро Вольта, назван в честь прибалтийского немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, который в 1821 году независимо открыл его заново. Было замечено, что стрелка компаса будет отклоняться замкнутым контуром, образованным двумя разными металлами, соединенными в двух местах, с приложенной разницей температур между соединениями. Это произошло потому, что уровни энергии электронов в разных металлах смещались по-разному, создавая разность потенциалов между соединениями, которые, в свою очередь, создавали электрический ток по проводам и, следовательно, магнитное поле вокруг проводов. Сибек не признавал, что при этом задействован электрический ток, поэтому он назвал это явление "термомагнитным эффектом". Датский физик Ханс Кристиан Эрстед исправил оплошность и ввел термин "термоэлектричество".
Эффект Зеебека является классическим примером электродвижущей силы (ЭДС) и приводит к измеряемым токам или напряжениям таким же образом, как и любая другая ЭДС. :Локальная плотность тока определяется
- Дополнительная информация: Технология PTE
Эффект Пельтье[править]
Когда электрический ток пропускают через цепь термопары, в одном соединении выделяется тепло, а в другом - поглощается. Это известно как эффект Пельтье: наличие нагрева или охлаждения в наэлектризованном соединении двух разных проводников. Эффект назван в честь французского физика Жана Шарля Атаназа Пельтье, который открыл его в 1834 году. Когда ток проходит через соединение между двумя проводниками, A и B, на соединении может генерироваться или отводиться тепло. Теплота Пельтье, выделяемая на стыке в единицу времени, равна
�˙=(ΠA−ΠB)�,{\ {\dot {Q}}=(\Pi _{\text{A}}-\Pi _{\text{B}})I,}
- где
- ΠA{\ \Pi _{\text{A}}} и ΠB
- {\ \Pi _{\text{B}}} - коэффициенты Пельтье проводников A и B, а �
- Я - электрический ток (от A до B). Общее выделяемое тепло определяется не только эффектом Пельтье, так как на него также могут влиять эффекты джоулева нагрева и температурного градиента (см. Ниже).
Коэффициенты Пельтье представляют, сколько тепла отводится на единицу заряда. Поскольку ток заряда должен быть непрерывным на переходе, связанный с ним тепловой поток будет иметь разрыв, если
- ΠA{\ \Pi _{\text{A}}} и ΠB
- {\\Pi _{\text{B}}} различны. Эффект Пельтье можно рассматривать как аналог эффекта Зеебека обратного действия (аналогичный обратной ЭДС в магнитной индукции): если простая термоэлектрическая цепь замкнута, то эффект Зеебека будет генерировать ток, который, в свою очередь (благодаря эффекту Пельтье), всегда будет передавать тепло от горячего к холодному переходу. Тесную взаимосвязь между эффектами Пельтье и Зеебека можно увидеть в прямой связи между их коэффициентами:
- Π=��{\\Pi =TS} (см. ниже).
Типичный тепловой насос Пельтье включает в себя несколько последовательных соединений, через которые пропускается ток. Некоторые соединения теряют тепло из-за эффекта Пельтье, в то время как другие нагреваются. Термоэлектрические тепловые насосы используют это явление, как и термоэлектрические охлаждающие устройства, используемые в холодильниках.
Эффект Томсона[править]
В различных материалах коэффициент Зеебека не является постоянным по температуре, и поэтому пространственный градиент температуры может привести к градиенту коэффициента Зеебека. Если ток пропускается через этот градиент, то возникает непрерывная версия эффекта Пельтье. Этот эффект Томсона был предсказан и позже наблюдался в 1851 году лордом Кельвином (Уильям Томсон).[8] Он описывает нагрев или охлаждение токопроводящего проводника с градиентом температуры.
Если плотность тока � \mathbf {J} пропускается через однородный проводник, эффект Томсона предсказывает скорость выделения тепла на единицу объема
�˙=−⋅∇,{\ {\dot {q}}=-{\mathcal {K}}\mathbf {J} \cdot \nabla T,}
- где ∇
{\\nabla T} - температурный градиент, а �\mathcal K - коэффициент Томсона. Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зеебека как �=
- {\displaystyle {\mathcal {K}}=T{\tfrac {dS}{dT}}} (см. ниже). Это уравнение, однако, пренебрегает джоулевым нагревом и обычной теплопроводностью (см. Полные уравнения ниже).
Полные термоэлектрические уравнения[править]
Смотрите также: Физика теплопередачи § Электрон
- Часто в работе реального термоэлектрического устройства задействовано более одного из вышеперечисленных эффектов. Эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона могут быть собраны вместе последовательным и строгим образом, описанным здесь; сюда также входят эффекты джоулева нагрева и обычной теплопроводности. Как указано выше, эффект Зеебека генерирует электродвижущую силу, приводящую к уравнению тока[
- Средний термин - это джоулев нагрев, а последний термин включает в себя эффекты Пельтье (∇
{ \nabla S} на стыке) и Томсона (∇
{\nabla S} при температурном градиенте). В сочетании с уравнением Зеебека для
\mathbf {J} это может быть использовано для решения стационарных профилей напряжения и температуры в сложной системе.
Если материал не находится в устойчивом состоянии, полное описание должно включать динамические эффекты, такие как, относящиеся к электрической емкости, индуктивности и теплоемкости.
Термоэлектрические эффекты выходят за рамки равновесной термодинамики. Они обязательно включают непрерывные потоки энергии. По крайней мере, они включают в себя три тела или термодинамические подсистемы, расположенные определенным образом, наряду с особым расположением окружающей среды. Три тела представляют собой два разных металла и область их соединения. Область соединения представляет собой неоднородное тело, которое считается стабильным и не подвергается слипанию в результате диффузии вещества. Окружающая среда устроена так, чтобы поддерживать два температурных резервуара и два электрических резервуара. Для воображаемого, но фактически не возможного термодинамического равновесия необходимо было бы предотвратить перенос тепла из горячего резервуара в холодный резервуар с помощью специально подобранной разности напряжений, поддерживаемой электрическими резервуарами, и электрический ток должен был бы быть равен нулю. Фактически, для устойчивого состояния должна быть по крайней мере некоторая теплопередача или некоторый ненулевой электрический ток. Два способа передачи энергии, в виде тепла и с помощью электрического тока, можно различить, когда имеются три различных тела и различное расположение окружающей среды. Но в случае непрерывного изменения среды теплопередача и термодинамическая работа не могут быть однозначно разграничены. Это сложнее, чем часто рассматриваемые термодинамические процессы, в которых связаны только две соответственно однородные подсистемы.
Соотношения Томсона[править]
Смотрите также: Взаимные связи Онзагера и Физика теплопередачи § Электрон В 1854 году лорд Кельвин обнаружил взаимосвязь между тремя коэффициентами, подразумевая, что эффекты Томсона, Пельтье и Зеебека являются различными проявлениями одного эффекта (однозначно характеризуемого коэффициентом Зеебека).
Первое соотношение Томсона
Коэффициент Томсона уникален среди трех основных термоэлектрических коэффициентов, поскольку он единственный, непосредственно измеряемый для отдельных материалов. Коэффициенты Пельтье и Зеебека могут быть легко определены только для пар материалов; следовательно, трудно найти значения абсолютных коэффициентов Зеебека или Пельтье для отдельного материала.
Если коэффициент Томсона материала измеряется в широком диапазоне температур, его можно интегрировать, используя соотношения Томсона, для определения абсолютных значений коэффициентов Пельтье и Зеебека. Это необходимо сделать только для одного материала, поскольку другие значения могут быть определены путем попарного измерения коэффициентов Зеебека в термопарах, содержащих эталонный материал, а затем добавления обратно абсолютного коэффициента Зеебека эталонного материала. Для получения более подробной информации об определении абсолютного коэффициента Зеебека см. Коэффициент Зеебека.
Применение[править]
Смотрите также: Термоэлектрические материалы
Термоэлектрические генераторы[править]
Основная статья: Термоэлектрический генератор
Эффект Зеебека используется в термоэлектрических генераторах, которые функционируют подобно тепловым двигателям, но менее громоздки, не имеют движущихся частей и, как правило, более дороги и менее эффективны. Они находят применение на электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную электроэнергию (форма утилизации энергии) и в автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов (ATG) для повышения топливной экономичности. Космические зонды часто используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы с тем же механизмом, но с использованием радиоизотопов для получения необходимой разницы в температуре. В последнее время используются печные вентиляторы, освещение, работающее от тепла тела, и умные часы, работающие от тепла тела.
Эффект Пельтье[править]
Основная статья: Термоэлектрическое охлаждение
Эффект Пельтье может быть использован для создания холодильника, который является компактным и не имеет циркулирующей жидкости или движущихся частей. Такие холодильники полезны в тех случаях, когда их преимущества перевешивают недостаток их очень низкой эффективности. Эффект Пельтье также используется многими термоциклерами, лабораторными устройствами, используемыми для амплификации ДНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР требует циклического нагревания и охлаждения образцов до заданных температур. Включение множества термопар в небольшом пространстве позволяет параллельно усиливать множество образцов.
Измерение температуры[править]
Основная статья: Термопара
- Термопары и термоэлементы - это устройства, которые используют эффект Зеебека для измерения разницы температур между двумя объектами. Термопары часто используются для измерения высоких температур, поддерживая температуру одного перехода постоянной или измеряя ее независимо (компенсация холодного перехода). В термопарах используется множество термопар, электрически соединенных последовательно, для чувствительных измерений очень малой разницы температур.
Осушители[править]
Осушители Пельтье работают за счет пропускания влажного воздуха через холодный радиатор. Когда воздух проходит над холодной поверхностью, он охлаждается, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется на радиаторе. Затем вода стекает в резервуар для воды. Сухой воздух может подаваться через другой радиатор для охлаждения горячей стороны ячейки Пельтье перед выпуском обратно в помещение.
Смотрите также[править]
- Эффект Нернста – термоэлектрическое явление, когда образец допускает электропроводность в магнитном поле и температурный градиент, нормальный (перпендикулярный) друг другу
- Эффект Эттингсгаузена – термоэлектрическое явление, влияющее на ток в проводнике в магнитном поле
- Пироэлектричество – создание электрической поляризации в кристалле после нагревания / охлаждения, эффект, отличный от термоэлектричества
- Термогальванический элемент - выработка электроэнергии из гальванического элемента с электродами при различных температурах
- Термофотовольтаика - производство электроэнергии из тепловой энергии с использованием фотоэлектрического эффекта