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.

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 . Сегодня данный эффект находит применение во многих областях. Но наибольшее его применение в современном мире можно наглядно увидеть в .

Устройство

Эффект Зеебеказаключается 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 . 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 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 . 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 Зеебекана сегодняшний день применяется в самых разных устройствах. Примером этому могут быть сенсоры напряжения, датчики температуры, 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 Зеебекадовольно 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.

• Кропотова Наталья Анатольевна , кандидат наук, старший преподаватель
• Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

• УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
• ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА
• АВТОНОМНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
• МОДЕЛЬ ПЕЛЬТЬЕ

В статье приводится решение создания устройства для автономного электроснабжения жилого здания, общей потребностью 2 кВт/сут. Устройство основано на работе целого ряда моделей Пельтье, но особенность данного устройства заключается в реализации эффекта Зеебека.

• Технологичность и эффективность огнезащитного покрытия для металлических конструкций быстровозводимых модулей
• Техническое решение удаления продуктов сгорания топлива при контрольном осмотре пожарного автомобиля ПСЧ в зимний период
• Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения
• Коррозионное разрушение деталей механизмов и систем пожарного автомобиля
• Технико-экономическое обоснование устройства для автономного электроснабжения на основе эффекта Зеебека

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь - электрической. Основное требование - увеличить объем ее выработки, но в последнее время все большее внимание привлекает энергия, которая должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики. Не стало исключением и явление, открытое в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck) и названное позже «Эффектом Зеебека». Эффект Зеебека, открытый в начале XIX века, актуален и в настоящее время . Возможности его применения неограничены. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов применения эффекта Пельтье (обратный эффекту Зеебека) и очень малая часть занимается исследованием эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона, практических же приборов и устройств автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека нет.

Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока. Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека, который нам показался более интересным в практическом решении и создании автономного устройства электроснабжения.

Поскольку в основе термоэлектрической генерации лежит эффект Зеебека – термоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС (E тэдс ) прямо пропорционально коэффициенту Зеебека α и разнице температур ΔT между горячей T h и холодной T c сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рисунок 1).

Рисунок 1. Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Чертеж термоэлектрического генераторного модуля
Рисунок 3. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Зеебека может достигать 70 °C.

Надо понимать, что эффективность термоэлектрического модуля Пельтье (для осуществления эффекта Зеебека) зависит от разницы температур, создаваемых на разных участках – чем больше разница температур, тем выше эффективность.

Предлагаемые нами полуметаллы (висмут, сурьма) и особенно полупроводниковые материалы позволяют получить значительно более высокую чувствительность, чем металлы – до 1000 мкВ/К.

Обосновывая принцип работы термоэлектрического генераторного модуля, мы приходим к его схематическому изображению в действительности и установке для работы (рисунок 4).

Рисунок 4. Схематическое изображение

Используя данную схему, мы проектируем две системы для поддержания разницы температур (рисунок 4) – одна на поверхности обеспечивает одну температуру (среднесуточная температура зимой в средней полосе России -20 0 С, летом +20 0 С), другую помещаем ниже точки промерзания (1,6 м), где средняя температура колеблется от 2,6 до 3,6 0 С. С помощью проводников данные системы связываются с модулями Зеебека. Единственное, что хочется здесь добавить это то, что потребуется теплоизоляция проводника, выходящего на поверхность (см. рисунок 5).

Рисунок 5 – Схематическое изображение расположения термоэлектрической генераторной установки

В результате всего вышесказанного, нами предлагается следующее проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека (рисунок 6).

Рисунок 6. Проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека

Таким образом, не возникает дополнительных вопросов при освоении земель, удаленных от «цивилизации», если уже 21 век. Не придется протягивать отдельную линию электропередачи для обеспечения жизнедеятельности целого жилого дома.

Данный исследовательский проект нашел практическое применение эффекта Зеебека в создании устройства для автономного электроснабжения на примере жилого здания. Предлагаемое техническое решение устройства автономного электроснабжения на основе эффекта Зеебека позволяет выработать требуемую электрическую энергию без дополнительных затрат, система устройства дешевая, не требует затрат энергии и других видов топлива, проста, доступна, эффективна.

Список литературы

1. Шостаковский, П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания. / П. Шостаковский. // Новые технологии. - 2010. № 12. - С. 131-138.
2. Кропотова Н.А. Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения.. - №58, - Т. 4. – С. 88-93.Баукин, В.Е. 3. Оптимизация параметров термоэлектрических генераторов большой мощности / В.Е. Баукин, А.П. Вялов, И.А. Гершберг, Г.К. Муранов и др. // Термоэлектрики и их применение. Доклады VIII Межгосударственного семинара (ноябрь 2002 г.). СПб: ФТИ, 2002.
3. Тахистов, Ф.Ю. Оптимизация параметров термоэлектрического генераторного модуля с учетом эффективности теплообмена на сторонах модуля. // Доклады XI Межгосударственного семинара (ноябрь 2008 г.). СПб: ФТИ, 2008.
4. Пучков П.В. Магнитожидкостное уплотнение подшипника качения. / П.В. Пучков, А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в социокультурном пространстве современного общества». В 3-х частях. - Смоленск. 2016. С. 33-35.
5. Разумов А.А. Оценка потребления количества теплоты в бакелизаторах при изготовлении абразивных изделий на бакелитовой связке. Технологические приемы экономии энергии при термообработке. / А.А. Разумов, Н.А. Кропотова. // Сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы». ИВИ ГПС МЧС России. – Иваново, 2012. С. 312-314.
6. Киселев В.В. К вопросу защиты металлоконструкций от теплового потока при пожаре. / В.В. Киселев, Н.А. Кропотова, А.А. Покровский, А.Н. Мальцев, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука 21 века: открытия, инновации, технологии». 2016. С. 75-76.
7. Крылов Е.Н. Расчет селективности при нитровании алкилбензолов в трифторуксусной кислоте. / Е.Н. Крылов, Н.А. Жирова. //
8. Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - Иваново, 2007. Т. 50. № 1. С. 10-15.

В 1820 появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление электрического тока в цепи (рис. 1). Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи V AB (T 1 , T 2), зависящее от температур T 1 и T 2 спаев (рис. 2), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Зеебек заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества, измерив термо-ЭДС широкого круга твердых и жидких металлов, сплавов, минералов и даже ряда веществ, ныне называемых полупроводниками.

Электротермический эффект Пельтье.

В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном – охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Термопара.

Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T 1 на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T 2 другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от - 160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или - 273,16° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T 1 , а другой – при температуре T 2 . Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Термоэлектрические свойства металлов.

Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Поэтому его обычно и используют для измерения термоэлектрических коэффициентов неизвестных материалов. Поскольку термо-ЭДС определяется свойствами обеих ветвей термопары, одна ветвь должна быть из некоего «опорного» материала, для которого известна «удельная» термо-ЭДС (термо-ЭДС на один градус разности температур). Если одна ветвь термопары находится в сверхпроводящем состоянии, то ее удельная термо-ЭДС равна нулю и термо-ЭДС термопары определяется величиной удельной термо-ЭДС другой ветви. Таким образом, сверхпроводник – идеальный «опорный» материал для измерения удельной термо-ЭДС неизвестных материалов. До 1986 самая высокая температура, при которой металл можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии, составляла лишь 10 К (- 263° C). В настоящее время сверхпроводники можно использовать приблизительно до 100 К (- 173° C). При более высоких температурах приходится проводить измерения с несверхпроводящими опорными материалами. До комнатной и несколько более высоких температур опорным материалом обычно служит свинец, а при еще более высоких – золото и платина. См . также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Термоэлектрические свойства полупроводников.

В 1920–1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.

Термоэлектрические приборы.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник. См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества

Z = (S 2 s T)/k ,

где T – температура, S – удельная термо-ЭДС, k – удельная теплопроводность, а s – удельная электропроводность. Чем больше S , тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s , тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k , тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.

Описание

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой .

Величина возникающей термоэдс в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего () и холодного () контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур:

где - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

Величина термоэдс составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд , а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС .

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов , равная

, где - энергия Ферми, - заряд электрона .

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах - от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом - против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС .

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов , движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами .

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Ссылки

Примечания

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эффект Зеебека" в других словарях:

- (термоэлектрический эффект), в ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ, образование ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) в цепи, состоящей из двух различных металлов или полупроводников, соединенных в петлю, два контакта между которыми поддерживаются при разных температурах.… … Научно-технический энциклопедический словарь

эффект Зеебека - термоэлектрический эффект — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы термоэлектрический эффект EN… … Справочник технического переводчика

эффект Зеебека - термоэлектрический эффект Зеебека; эффект Зеебека Возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников при различных температурах контактов. термоэлектрический эффект; эффект… … Политехнический терминологический толковый словарь

эффект Зеебека - termoelektrinis efektas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovės atsiradimas uždaroje grandinėje, sudarytoje iš skirtingų metalų pašildžius jų kontakto vietą. atitikmenys: angl. Seebeck effect; thermoelectric effect rus.… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

эффект Зеебека - Seebeck o reiškinys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet Seebeck, m ryšiai: sinonimas – Zėbeko reiškinys … Automatikos terminų žodynas

эффект Зеебека - Zėbeko reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet de Seebeck, m … Fizikos terminų žodynas

эффект Зеебека - Zėbeko efektas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reiškinys, kai uždaroje elektrinėje grandinėje, iš nuosekliai sujungtų dviejų laidininkų, kurių lietimosi vietų temperatūra nevienoda, susidaro termoelektrovara ir teka elektros srovė.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

эффект Зеебека - явление возникновения электродвижущей силы в электрическом контуре, состоящем из разных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры; открыт в 1821 г. немецким физиком Т. Зеебеком. Электродвижущая сила,… … Энциклопедический словарь по металлургии

Эффект Зеебека - холод. техн. Возникновение электродвижущей силы за счет разности температур двух спаев различных металлов или сплавов … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого

- (англ. Spin Seebeck effect) физический эффект, в котором градиент температуры вдоль ферромагнитного проводника создаёт ненулевой потенциал спинового тока, где электрохимические потенциалы для электронов с основным и неосновным… … Википедия