Термоэлектрический эффект

редактировать
Прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот

Термоэлектрический эффект прямое преобразование разности температуры в электрическое напряжение и наоборот через термопару. Термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда с каждой стороны разная температура. И наоборот, когда к нему прикладывается напряжение, тепло передается с одной стороны на другую, создавая разницу температур. В атомном масштабе приложенный градиент температуры заставляет носители заряда в материале диффундировать от горячей стороны к холодной стороне.

Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры или изменения температуры объектов. Поскольку направление нагрева и охлаждения зависит от приложенного напряжения, термоэлектрические устройства можно использовать в качестве регуляторов температуры.

Термин «термоэлектрический эффект» охватывает три отдельно идентифицированных эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона . Эффекты Зеебека и Пельтье - разные проявления одного и того же физического процесса; в учебниках этот процесс может именоваться эффектом Пельтье-Зеебека (разделение происходит из независимых открытий французского физика Жана Шарля Атаназа Пельтье и балтийского немца физика Томас Иоганн Зеебек ). Эффект Томсона является расширением модели Пельтье-Зеебека и связан с лордом Кельвином.

нагревом Джоуля, теплом, которое генерируется всякий раз, когда ток проходит через проводящий материал., обычно не называют термоэлектрическим эффектом. Эффекты Пельтье-Зеебека и Томсона термодинамически обратимы, тогда как джоулев нагрев - нет.

Содержание

  • 1 Эффект Зеебека
  • 2 Эффект Пельтье
  • 3 Эффект Томсона
  • 4 Полные термоэлектрические уравнения
  • 5 Соотношения Томсона
  • 6 Приложения
    • 6.1 Термоэлектрические генераторы
    • 6.2 Эффект Пельтье
    • 6.3 Измерение температуры
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Примечания
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека в a термобатарея из железных и медных проводов Термоэлектрическая цепь, состоящая из материалов с разными коэффициентами Зеебека (p- легированные и n-легированные полупроводники), сконфигурированная как термоэлектрический генератор. Если нагрузочный резистор внизу заменить на вольтметр, схема будет функционировать как чувствительная к температуре термопара.

Эффект Зеебека - это наращивание электрический потенциал через градиент температуры. Термопара измеряет разность потенциалов между горячим и холодным концом для двух разнородных материалов. Эта разность потенциалов пропорциональна разнице температур между горячим и холодным концом. Впервые открытый в 1794 году итальянским ученым Алессандро Вольта, он назван в честь балтийского немца физика Томаса Иоганна Зеебека, который в 1821 году независимо открыл его заново. Было замечено, что стрелка компаса отклоняется замкнутым контуром, образованным двумя разными металлами, соединенными в двух местах, с приложенной разностью температур между соединениями. Это произошло потому, что уровни энергии электронов смещались по-разному в разных металлах, создавая разность потенциалов между переходами, которая, в свою очередь, создавала электрический ток через провода и, следовательно, магнитное поле вокруг провода. Зеебек не осознавал наличие электрического тока, поэтому он назвал это явление «термомагнитным эффектом». Датский физик Ганс Кристиан Эрстед исправил упущение и ввел термин «термоэлектричество».

Эффект Зеебека - классический пример электродвижущей силы (ЭДС) и приводит к измеряемым токам или напряжениям так же, как и к любым другим ЭДС. Локальная плотность тока определяется выражением

J = σ (- ∇ V + E emf), {\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- \ nabla V + \ mathbf {E} _ {\ text {emf}}),}{\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- \ nabla V + \ mathbf {E} _ {\ текст {emf}}),}

где V {\ displaystyle V}V - локальное напряжение, а σ {\ displaystyle \ sigma }\ sigma - локальная проводимость. В общем, эффект Зеебека описывается локально созданием электродвижущего поля

E emf = - S ∇ T, {\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ text {emf}} = - S \ nabla T, }{\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ text {emf}} = - S \ nabla T,}

где S {\ displaystyle S}S - коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство местного материала, и ∇ T {\ displaystyle \ nabla T}{ \ displaystyle \ nabla T} - температурный градиент.

Коэффициенты Зеебека обычно меняются в зависимости от температуры и сильно зависят от состава проводника. Для обычных материалов при комнатной температуре коэффициент Зеебека может находиться в диапазоне от −100 мкВ / К до +1000 мкВ / К (дополнительную информацию см. В статье о коэффициенте Зеебека ).

Если система достигает устойчивого состояния, где J = 0 {\ displaystyle \ mathbf {J} = 0}{\ disp Laystyle \ mathbf {J} = 0} , тогда градиент напряжения задается просто ЭДС: Δ V = S Δ T {\ displaystyle \ Delta V = S \ Delta T}{\ displaystyle \ Delta V = S \ Delta T} . Это простое соотношение, которое не зависит от проводимости, используется в термопаре для измерения разницы температур; абсолютная температура может быть найдена путем выполнения измерения напряжения при известной эталонной температуре. Металл неизвестного состава можно классифицировать по его термоэлектрическому эффекту, если металлический зонд известного состава поддерживать при постоянной температуре и контактировать с неизвестным образцом, который локально нагревается до температуры зонда. Он используется в коммерческих целях для идентификации металлических сплавов. Последовательные термопары образуют термобатарею. Термоэлектрические генераторы используются для выработки энергии за счет перепадов тепла.

Эффект Пельтье

Схема Зеебека, сконфигурированная как термоэлектрический охладитель

Когда электрический ток проходит через цепь термопары, тепло выделяется на одном спайе и поглощается на другом спайе. Это известно как эффект Пельтье. Эффект Пельтье - это наличие нагрева или охлаждения в наэлектризованном соединении двух разных проводников; он назван в честь французского физика Жана Шарля Атаназа Пельтье, который открыл его в 1834 году. проходит через соединение между двумя проводниками, A и B, тепло может генерироваться или отводиться в месте соединения. Тепло Пельтье, генерируемое в соединении в единицу времени, равно

Q ˙ = (Π A - Π B) I, {\ displaystyle {\ dot {Q}} = (\ Pi _ {\ text {A}} - \ Pi _ {\ text {B}}) I,}{\ displaystyle {\ dot {Q}} = (\ Pi _ {\ текст {A}} - \ Pi _ {\ текст {B}}) I,}

где Π A {\ displaystyle \ Pi _ {\ text {A}}}{\ displaystyle \ Pi _ {\ text {A}}} и Π B {\ displaystyle \ Pi _ {\ text {B}}}{\ displaystyle \ Pi _ {\ text {B}}} - это коэффициенты Пельтье проводников A и B, а I {\ displaystyle I}I - электрический ток (от От А до Б). Общее генерируемое тепло не определяется только эффектом Пельтье, так как на него также могут влиять джоулевы нагревания и эффекты температурного градиента (см. Ниже).

Коэффициенты Пельтье представляют, сколько тепла переносится на единицу заряда. Поскольку зарядный ток должен быть непрерывным через соединение, связанный с ним тепловой поток будет прерываться, если Π A {\ displaystyle \ Pi _ {\ text {A}}}{\ displaystyle \ Pi _ {\ text {A}}} и Π B {\ displaystyle \ Pi _ {\ text {B}}}{\ displaystyle \ Pi _ {\ text {B}}} разные. Эффект Пельтье можно рассматривать как обратный аналог эффекта Зеебека (аналог обратной ЭДС в магнитной индукции): если простая термоэлектрическая цепь замкнута, то эффект Зеебека будет управлять током., который, в свою очередь (за счет эффекта Пельтье) всегда будет передавать тепло от горячего спая к холодному. Тесную взаимосвязь между эффектами Пельтье и Зеебека можно увидеть в прямой связи между их коэффициентами: Π = T S {\ displaystyle \ Pi = TS}{\ displaystyle \ Pi = TS} (см. ниже).

Типичный тепловой насос Пельтье включает в себя несколько последовательно соединенных переходов, через которые проходит ток. Некоторые переходы теряют тепло из-за эффекта Пельтье, а другие нагреваются. Термоэлектрические тепловые насосы используют это явление, как и термоэлектрические охлаждающие устройства, используемые в холодильниках.

Эффект Томсона

В различных материалах коэффициент Зеебека непостоянен по температуре, поэтому пространственный градиент температуры может привести к градиенту коэффициента Зеебека. Если через этот градиент пропускается ток, возникает непрерывная версия эффекта Пельтье. Этот эффект Томсона был предсказан и позже обнаружен в 1851 году лордом Кельвином (Уильям Томсон). Он описывает нагрев или охлаждение проводника с током с градиентом температуры.

Если плотность тока J {\ displaystyle \ mathbf {J}}\ mathbf {J} проходит через однородный проводник, эффект Томсона предсказывает скорость выделения тепла на единицу объема

q ˙ знак равно - KJ ⋅ ∇ T, {\ displaystyle {\ dot {q}} = - {\ mathcal {K}} \ mathbf {J} \ cdot \ nabla T,}{\ displaystyle {\ точка {q}} = - {\ mathcal {K}} \ mathbf {J} \ cdot \ nabla T,}

где ∇ T { \ displaystyle \ nabla T}{ \ displaystyle \ nabla T} - это градиент температуры, а K {\ displaystyle {\ mathcal {K}}}\ mathcal K - коэффициент Томсона. Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зеебека следующим образом: K = T d S d T {\ displaystyle {\ mathcal {K}} = T {\ tfrac {dS} {dT}}}{\ displaystyle {\ mathcal {K}} = T {\ tfrac {dS} {dT}}} ( см. ниже). Однако это уравнение не учитывает джоулева нагрев и обычную теплопроводность (см. Полные уравнения ниже).

Полные термоэлектрические уравнения

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 способом, описанным здесь; это также включает эффекты джоулева нагрева и обычной теплопроводности. Как указано выше, эффект Зеебека создает электродвижущую силу, приводящую к уравнению тока

J = σ (- ∇ V - S ∇ T). {\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- {\ boldsymbol {\ nabla}} V-S \ nabla T).}{\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- {\ boldsymbol {\ nabla}} VS \ nabla T).}

Чтобы описать эффекты Пельтье и Томсона, мы должны рассмотреть поток энергии. Если температура и заряд меняются со временем, полное термоэлектрическое уравнение для накопления энергии, e ˙ {\ displaystyle {\ dot {e}}}{\ displaystyle {\ dot {e}}} , будет

e ˙ = ∇ ⋅ ( κ ∇ T) - ∇ ⋅ (V + Π) J + Q ˙ ext, {\ displaystyle {\ dot {e}} = \ nabla \ cdot (\ kappa \ nabla T) - \ nabla \ cdot (V + \ Pi) \ mathbf {J} + {\ dot {q}} _ {\ text {ext}},}{\ displaystyle {\ dot {e}} = \ nabla \ cdot (\ kappa \ nabla T) - \ nabla \ cdot (V + \ Pi) \ mathbf {J} + {\ dot {q}} _ {\ text {ext}},}

где κ {\ displaystyle \ kappa}\ kappa - теплопроводность. Первый член - это закон теплопроводности Фурье, а второй член показывает энергию, переносимую токами. Третий член, q ˙ ext {\ displaystyle {\ dot {q}} _ {\ text {ext}}}{\ displaystyle {\ dot {q}} _ {\ text {ext }}} , представляет собой тепло, добавленное из внешнего источника (если применимо).

Если материал достиг устойчивого состояния, распределение заряда и температуры стабильное, поэтому e ˙ = 0 {\ displaystyle {\ dot {e}} = 0}{\ displaystyle {\ dot {e}} = 0} и ∇ ⋅ J = 0 {\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {J} = 0}{\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {J } = 0} . Используя эти факты и второе соотношение Томсона (см. Ниже), уравнение теплопроводности можно упростить до

- q ˙ ext = ∇ ⋅ (κ ∇ T) + J ⋅ (σ - 1 J) - T J ⋅ ∇ S. {\ displaystyle - {\ dot {q}} _ {\ text {ext}} = \ nabla \ cdot (\ kappa \ nabla T) + \ mathbf {J} \ cdot \ left (\ sigma ^ {- 1} \ mathbf {J} \ right) -T \ mathbf {J} \ cdot \ nabla S.}{\ displaystyle - {\ dot {q}} _ {\ text {ext}} = \ nabla \ cdot (\ kappa \ nabla T) + \ mathbf {J} \ cdot \ left (\ sigma ^ {- 1} \ mathbf {J} \ right) -T \ mathbf {J} \ cdot \ nabla S.}

Средний член - это джоулев нагрев, а последний термин включает в себя оба элемента Пельтье (∇ S {\ displaystyle \ nabla S}{\ displaystyle \ nabla S} на стыке) и эффект Томсона (∇ S {\ displaystyle \ nabla S}{\ displaystyle \ nabla S} в температурном градиенте). В сочетании с уравнением Зеебека для J {\ displaystyle \ mathbf {J}}\ mathbf {J} это можно использовать 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, вместе с особым расположением окружающей среды. Три тела - это два разных металла и область их соединения. Область сочленения представляет собой неоднородное тело, считающееся стабильным, не подвергающимся слиянию за счет диффузии материи. Окрестности устроены так, чтобы поддерживать два резервуара температуры и два резервуара электрического тока. Для воображаемого, но не возможного термодинамического равновесия, передача тепла от горячего резервуара к холодному резервуару должна быть предотвращена за счет специально согласованной разности напряжений, поддерживаемой электрическими резервуарами, и электрический ток будет должен быть нулевым. Фактически, для устойчивого состояния должна быть хотя бы некоторая теплопередача или некоторый ненулевой электрический ток. Два режима передачи энергии - тепло и электрический ток - можно различить, когда есть три отдельных тела и определенное расположение окружающей среды. Но в случае непрерывного изменения среды теплопередача и термодинамическая работа не могут быть однозначно разделены. Это сложнее, чем часто рассматриваемые термодинамические процессы, в которых связаны всего две соответственно однородные подсистемы.

Соотношения Томсона

В 1854 году лорд Кельвин обнаружил взаимосвязь между тремя коэффициентами, подразумевая, что эффекты Томсона, Пельтье и Зеебека являются разными проявлениями одного эффекта (однозначно характеризуемого коэффициентом Зеебека).

Первое соотношение Томсона:

K ≡ d Π d T - S, {\ displaystyle {\ mathcal {K}} \ Equiv {\ frac {d \ Pi} {dT}} - S,}{\ displaystyle {\ mathcal {K}} \ Equiv {\ frac {d \ Pi} {dT}} - S,}

где T {\ displaystyle T}T - абсолютная температура, K {\ displaystyle {\ mathcal {K}}}\ mathcal K - это температура Томсона. коэффициент, Π {\ displaystyle \ Pi}\ Pi - коэффициент Пельтье, а S {\ displaystyle S}S - коэффициент Зеебека. Это соотношение легко показать, учитывая, что эффект Томсона является непрерывной версией эффекта Пельтье. Используя второе отношение (описанное далее), первое отношение Томсона становится K = T d S d T {\ displaystyle {\ mathcal {K}} = T {\ tfrac {dS} {dT}}}{\ displaystyle {\ mathcal {K}} = T {\ tfrac {dS} {dT}}} .

Второе соотношение Томсона

Π = TS. {\ displaystyle \ Pi = TS.}{\ displaystyle \ Pi = TS.}

Это соотношение выражает тонкую и фундаментальную связь между эффектами Пельтье и Зеебека. Это не было удовлетворительно доказано до появления соотношений Онзагера, и стоит отметить, что это второе соотношение Томсона гарантировано только для симметричного материала с обращением времени; если материал помещен в магнитное поле или сам по себе магнитоупорядочен (ферромагнетик, антиферромагнетик и т. д.), то второе соотношение Томсона не принимает простой вид, показанный здесь.

Коэффициент Томсона является уникальным среди трех основных термоэлектрических коэффициентов, потому что это единственный коэффициент, который можно напрямую измерить для отдельных материалов. Коэффициенты Пельтье и Зеебека можно легко определить 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, он может быть интегрирован с использованием соотношений 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, с последующим добавлением абсолютного коэффициента Зеебека эталонного материала. Подробнее об определении абсолютного коэффициента Зеебека см. Коэффициент Зеебека.

Применения

Термоэлектрические генераторы

Эффект Зеебека используется в термоэлектрических генераторах, которые работают как тепловые двигатели., но они менее громоздки, не имеют движущихся частей и, как правило, более дороги и менее эффективны. Они используются на электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную электроэнергию (форма рециркуляции энергии ) и в автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов (ПТГ). для повышения топливной экономичности. В космических зондах часто используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы с тем же механизмом, но с использованием радиоизотопов для создания необходимой разницы температур. В последнее время используются вентиляторы для печей, освещение, питаемое от тепла тела, и умные часы, работающие от тепла тела.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье можно использовать для создания холодильника, который компактен 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 нагрева и охлаждения образцов до заданных температур. Размещение большого количества термопар в небольшом пространстве позволяет параллельно усиливать множество образцов.

Измерение температуры

Термопары и термобатареи - это устройства, которые используют эффект Зеебека для измерения разницы температур между двумя объектами. Термопары часто используются для измерения высоких температур, поддержания постоянной температуры одного спая или измерения ее независимо (компенсация холодного спая ). Термобатареи используют множество термопар, электрически соединенных последовательно, для чувствительных измерений очень небольшой разницы температур.

См. Также

  • Эффект Нернста - термоэлектрическое явление, когда образец допускает электрическую проводимость в магнитном поле и градиент температуры перпендикулярно (перпендикулярно) друг другу
  • эффект Эттингсгаузена - термоэлектрическое явление, влияющее на ток в проводнике в магнитном поле
  • Пироэлектричество - создание электрической поляризации в кристалле после нагрева / охлаждения, эффект, отличный от термоэлектричества
  • Термогальваническая ячейка - производство электрическая энергия от гальванического элемента с электродами при различных температурах

Ссылки

Примечания

Дополнительная литература

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Термоэлектричество.
Последняя правка сделана 2021-06-11 08:32:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте