En 1820, G. Oersted rapporte que l'aiguille magnétique dévie à proximité d'un fil parcouru par un courant électrique. En 1821, T. Seebeck notait que l'aiguille dévie également lorsque deux jonctions d'un circuit électrique fermé, composé de deux matériaux conducteurs différents, sont maintenues à des températures différentes. Seebeck a d'abord cru qu'il s'agissait d'un effet purement magnétique. Mais plus tard, il est devenu clair que la différence de température provoque l'apparition d'un courant électrique dans le circuit (Fig. 1). Une caractéristique importante des propriétés thermoélectriques des matériaux qui composent le circuit est la tension aux extrémités du circuit ouvert (c'est-à-dire lorsque l'un des joints est déconnecté électriquement), car dans un circuit fermé, le courant et la tension dépendent du résistivité électrique des fils. C'est la tension en circuit ouvert VAB(T 1 , T 2), en fonction des températures T 1 et T 2 jonctions (Fig. 2), est appelée force électromotrice thermoélectrique (thermo-EMF). Seebeck a jeté les bases de travaux ultérieurs dans le domaine de la thermoélectricité en mesurant la force électromotrice d'une large gamme de métaux solides et liquides, d'alliages, de minéraux et même d'un certain nombre de substances désormais appelées semi-conducteurs.

Effet Peltier électrothermique.

En 1834, l'horloger français J. Peltier remarqua que lorsque le courant traverse une jonction de deux conducteurs différents, la température de la jonction change. Comme Seebeck, Peltier n’y a pas d’abord vu d’effet électrothermique. Mais en 1838 E.H. Lenz, membre de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg, montra qu'avec un courant suffisamment important, une goutte d'eau appliquée sur une jonction peut soit être gelée, soit portée à ébullition en changeant le sens du courant. Lorsque le courant circule dans un sens, la jonction se réchauffe et lorsque le courant circule dans le sens opposé, elle se refroidit. Il s'agit de l'effet Peltier (Fig. 3), à l'opposé de l'effet Seebeck.

Effet Thomson électrothermique.

En 1854, W. Thomson (Kelvin) a découvert que si un conducteur métallique est chauffé en un point et qu'un courant électrique le traverse simultanément, alors une différence de température apparaît aux extrémités du conducteur à égale distance du point de chauffage (Fig. 4 ). À l’extrémité où le courant est dirigé vers le point de chauffe, la température diminue, et à l’autre extrémité, là où le courant s’éloigne du point de chauffe, la température augmente. Le coefficient de Thomson est le seul coefficient thermoélectrique mesurable sur un conducteur homogène. Thomson montra plus tard que les trois phénomènes de la thermoélectricité sont liés les uns aux autres par les relations Kelvin déjà mentionnées ci-dessus.

Thermocouple.

Si les matériaux de la chaîne fig. 2 sont homogènes, alors la thermo-EMF dépend uniquement des matériaux sélectionnés et des températures de jonction. Cette position établie expérimentalement, appelée loi de Magnus, est à la base de l'utilisation de ce qu'on appelle. appareils à thermocouples pour mesurer la température, ce qui est d'une grande importance pratique. Si les propriétés thermoélectriques d'une paire de conducteurs donnée sont connues et que l'une des jonctions (par exemple, avec une température T 1 sur la fig. 2) est maintenu à une température précisément connue (par exemple 0°C, le point de congélation de l'eau), alors la thermo-emf est proportionnelle à la température T 2 autres carrefours. Les thermocouples en platine et en alliage platine-rhodium mesurent les températures de 0 à 1700°C, du cuivre et de l'alliage constantan multi-composants de - 160 à +380°C, et de l'or (avec de très faibles ajouts de fer) et du chromel multi-composants à des valeurs uniquement fractions de degré au-dessus du zéro absolu (0 K, soit - 273,16°C).

La thermo-emf d'un thermocouple métallique avec une différence de température à ses extrémités égale à 100°C est d'environ 1 mV. Pour augmenter la sensibilité du transmetteur de température, plusieurs thermocouples peuvent être connectés en série (Fig. 5). Le résultat est une thermopile dans laquelle une extrémité de tous les thermocouples est à une température T 1 et l'autre à température T 2. La thermo-EMF de la batterie est égale à la somme des thermo-EMF des thermocouples individuels.

Étant donné que les thermocouples et leurs jonctions peuvent être petits et faciles à utiliser dans une grande variété de conditions, ils sont largement utilisés dans les appareils de mesure, d'enregistrement et de régulation de la température.

Propriétés thermoélectriques des métaux.

L'effet Seebeck est généralement plus facile à mesurer de manière fiable que les autres effets thermoélectriques. Par conséquent, il est généralement utilisé pour mesurer les coefficients thermoélectriques de matériaux inconnus. Puisque la thermo-EMF est déterminée par les propriétés des deux branches du thermocouple, une branche doit être constituée d'un matériau « de support » pour lequel la thermo-EMF « spécifique » est connue (thermo-EMF pour un degré de différence de température). Si une branche du thermocouple est dans un état supraconducteur, alors sa thermo-EMF spécifique est nulle et la thermo-EMF du thermocouple est déterminée par la valeur de la thermo-EMF spécifique de l'autre branche. Ainsi, un supraconducteur est un matériau de « référence » idéal pour mesurer la thermo-EMF spécifique de matériaux inconnus. Jusqu'en 1986, la température la plus élevée à laquelle un métal pouvait être maintenu dans un état supraconducteur n'était que de 10 K (-263 °C). Actuellement, les supraconducteurs peuvent être utilisés jusqu'à environ 100 K (- 173° C). À des températures plus élevées, il est nécessaire d'effectuer des mesures avec des matériaux de référence non supraconducteurs. Jusqu'à température ambiante et à des températures légèrement plus élevées, le matériau de support est généralement du plomb et, à des températures encore plus élevées, de l'or et du platine. Cm. Aussi SUPRACONDUCTIVITÉ.

L'effet Seebeck dans les métaux comporte deux composantes : l'une est associée à la diffusion des électrons et l'autre est due à leur traînée de phonons. La diffusion électronique est causée par le fait que lorsqu’un conducteur métallique est chauffé à une extrémité, il y a de nombreux électrons dotés d’une énergie cinétique élevée à cette extrémité et peu à l’autre. Les électrons de haute énergie diffusent vers l'extrémité froide jusqu'à ce qu'une diffusion ultérieure soit empêchée par la répulsion de la charge négative excessive des électrons accumulés à cet endroit. Cette accumulation de charges détermine la composante thermo-emf associée à la diffusion électronique.

La composante associée à la traînée des phonons apparaît car lorsqu'une extrémité du conducteur est chauffée, l'énergie des vibrations thermiques des atomes à cette extrémité augmente. Les vibrations se propagent vers l'extrémité la plus froide, et dans ce mouvement les atomes, entrant en collision avec les électrons, leur transfèrent une partie de leur énergie accrue et les transportent dans la direction de propagation des phonons - vibrations du réseau cristallin. L'accumulation de charge correspondante détermine la deuxième composante de la thermo-emf.

Les deux processus (diffusion électronique et entraînement de phonons) conduisent généralement à l’accumulation d’électrons à l’extrémité froide du conducteur. Dans ce cas, la thermo-emf spécifique est considérée comme négative par définition. Mais dans certains cas, en raison de la distribution complexe du nombre d'électrons d'énergies différentes dans un métal donné et des modèles complexes de diffusion des électrons et des atomes vibrants lors des collisions avec d'autres électrons et atomes, les électrons s'accumulent à l'extrémité chauffée, et le thermo-EMF spécifique s'avère positif. Les thermo-EMF les plus élevées sont caractéristiques des thermocouples composés de métaux avec des thermo-EMF spécifiques de signe opposé. Dans ce cas, les électrons des deux métaux se déplacent dans la même direction.

Propriétés thermoélectriques des semi-conducteurs.

Dans les années 1920 et 1930, les scientifiques ont découvert un certain nombre de matériaux à faible conductivité, désormais appelés semi-conducteurs, dont les forces électromotrices thermiques spécifiques sont des milliers de fois supérieures à celles des métaux. Par conséquent, les semi-conducteurs sont plus adaptés que les métaux à la fabrication de thermopiles, qui nécessitent un chauffage ou un refroidissement thermoélectrique important ou intense. Comme dans le cas des métaux, la force électromotrice des semi-conducteurs a deux composantes (associées à la diffusion des électrons et à leur traînée de phonons) et peut être négative ou positive. Les meilleures thermopiles sont obtenues à partir de semi-conducteurs avec thermo-EMF de signe opposé.

Appareils thermoélectriques.

Si vous créez un bon contact thermique d'un groupe de jonctions de la thermopile avec une source de chaleur, par exemple une petite quantité de substance radioactive, une tension sera générée à la sortie de la thermopile. L'efficacité de la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique dans de tels générateurs thermoélectriques atteint 1 617 % (pour les centrales électriques à turbine à vapeur, l'efficacité thermique est de 2 040 %). Les générateurs thermoélectriques sont utilisés dans des endroits éloignés de la Terre (par exemple dans l'Arctique) et sur des stations interplanétaires, où la source d'énergie nécessite une plus grande durabilité, une petite taille, l'absence de pièces mécaniques mobiles et une sensibilité réduite aux conditions environnementales.

Vous pouvez également connecter une source de courant aux bornes de la thermopile et faire passer le courant à travers ses thermoéléments. Un groupe de jonctions de thermopile va chauffer et l’autre va refroidir. Ainsi, la thermopile peut être utilisée soit comme radiateur thermoélectrique (par exemple pour les biberons), soit comme réfrigérateur thermoélectrique. voir égalementÉQUIPEMENT DE RÉFRIGÉRATION.

L'efficacité des thermoéléments pour générateurs thermoélectriques est évaluée par un indicateur de qualité comparatif

Z = (S 2 St)/ k,

Où T température, S thermo-EMF spécifique, k conductivité thermique, et s conductivité électrique spécifique. Le plus S, plus la thermo-EMF est élevée à une différence de température donnée. Le plus s, plus le courant dans le circuit peut être élevé. Le moins k, plus il est facile de maintenir la différence de température requise aux jonctions des thermopieux.

Description

L'effet Seebeck est que dans un circuit fermé composé de conducteurs différents, une thermo-EMF apparaît si les points de contact sont maintenus à des températures différentes. Un circuit composé de seulement deux conducteurs différents est appelé thermopile ou thermocouple.

L'ampleur de la puissance thermique résultante, en première approximation, dépend uniquement du matériau des conducteurs et des températures des contacts chauds () et froids ().

Dans une petite plage de température, la puissance thermique peut être considérée comme proportionnelle à la différence de température :

Dans le cas le plus simple, le coefficient de puissance thermique est déterminé uniquement par les matériaux des conducteurs, mais à proprement parler, il dépend également de la température et, dans certains cas, change de signe avec un changement de température.

Une expression plus correcte pour le thermopouvoir :

La valeur de la puissance thermique est en millivolts pour une différence de température de 100 K et une température de soudure froide de 0 °C (par exemple, une paire cuivre-constantan donne 4,25 mV, platine-platine-rhodium - 0,643 mV, nichrome-nickel - 4,1 mV) .

Explication de l'effet

L'effet Seebeck est causé par plusieurs composants.

Différentes dépendances de l'énergie électronique moyenne à la température dans différentes substances

S'il existe un gradient de température le long du conducteur, alors les électrons à l'extrémité chaude acquièrent des énergies et des vitesses plus élevées qu'à l'extrémité froide ; dans les semi-conducteurs, en plus de cela, la concentration d’électrons de conduction augmente avec la température. En conséquence, un flux d’électrons se produit de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide et une charge négative s’accumule à l’extrémité froide, tandis qu’une charge positive non compensée reste à l’extrémité chaude. Le processus d'accumulation de charges se poursuit jusqu'à ce que la différence de potentiel résultante provoque un flux d'électrons dans la direction opposée, égale à la direction primaire, grâce à laquelle l'équilibre est établi.

La FEM, dont l'apparition est décrite par ce mécanisme, est appelée FEM volumétrique.

Dépendance différente en température de la différence de potentiel de contact

La différence de potentiel de contact est causée par la différence des énergies de Fermi des différents conducteurs en contact. Lorsqu'un contact est créé, les potentiels chimiques des électrons deviennent identiques et une différence de potentiel de contact apparaît égale à

Il existe ainsi un champ électrique au contact, localisé dans une fine couche proche du contact. Si vous réalisez un circuit fermé de deux métaux, alors U apparaît aux deux contacts. Le champ électrique sera dirigé de la même manière dans les deux contacts – du plus grand F au plus petit. Cela signifie que si vous effectuez un contournement le long d'une boucle fermée, dans un contact, le contournement se produira le long du champ et dans l'autre, contre le champ. Circulation vectorielle E sera donc égal à zéro.

Si la température de l'un des contacts change de dT, alors, puisque l'énergie de Fermi dépend de la température, U changera également. Mais si la différence de potentiel de contact interne a changé, alors le champ électrique dans l'un des contacts a changé, et donc la circulation du vecteur E sera différent de zéro, c'est-à-dire qu'une CEM apparaît dans un circuit fermé.

Cet EMF est appelé contacter FEM.

Si les deux contacts du thermoélément sont à la même température, alors la puissance thermique de contact et celle du volume disparaissent.

Entraînement des phonons

S'il existe un gradient de température dans un solide, alors le nombre de phonons se déplaçant de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide sera plus grand que dans la direction opposée. À la suite de collisions avec des électrons, les phonons peuvent entraîner ces derniers et une charge négative s'accumulera à l'extrémité froide de l'échantillon (positive à l'extrémité chaude) jusqu'à ce que la différence de potentiel résultante équilibre l'effet d'entraînement.

Cette différence de potentiel représente la 3ème composante de la puissance thermique, qui à basse température peut être des dizaines et des centaines de fois supérieure à celles évoquées ci-dessus. Dans les matériaux magnétiques, une composante supplémentaire de la puissance thermique est observée, due à l'effet de traînée des électrons par les magnons.

Utilisé pour créer des capteurs de température (par exemple, dans les ordinateurs). Ces capteurs sont miniatures et très précis.

Liens

Remarques

voir également

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En 1821, le physicien T. Seebeck (1770-1831), né en Estonie et étudiant en Allemagne, tout en étudiant les effets thermiques dans les dispositifs galvaniques, combinait des éléments semi-circulaires en bismuth et en cuivre. Soudain, l'aiguille d'une boussole qui se trouvait à proximité a dévié (Fig. 3.34A). Il a testé cet effet sur d'autres composés métalliques à différentes températures et a constaté qu'à chaque fois, une intensité de champ magnétique différente était obtenue. Cependant, Seebeck ne réalisait pas qu'un courant électrique circulait à travers les éléments, c'est pourquoi il appela ce phénomène thermomagnétisme.

Si vous prenez un conducteur et placez une extrémité dans un endroit froid et l’autre dans un endroit chaud, l’énergie thermique sera transférée de la partie chaude vers la partie froide. L'intensité du flux thermique est proportionnelle à la conductivité thermique du conducteur. De plus, le gradient de température entraîne l'apparition d'un champ électrique dans le conducteur, dû à l'effet Thomson (W. Thompson a découvert cet effet vers 1850. Il consiste en l'absorption ou la libération de chaleur linéairement proportionnelle au courant qui passe. à travers un conducteur homogène présentant un gradient de température sur toute sa longueur. Dans ce cas, la chaleur est absorbée si le courant et le flux de chaleur sont dirigés dans des directions opposées, et libérée lorsqu'ils ont la même direction). Le champ électrique induit conduit à l'apparition d'une différence de potentiel :

Où dT- gradient de température sur une petite longueur dx,α a - coefficient de Seebeck absolu matériel Si le matériau est homogène, un un ne dépend pas de sa longueur, et l'équation (3.87) prend la forme :

L'équation (3.88) est l'expression mathématique de base de l'effet thermoélectrique. En figue. La figure 3.34B montre un conducteur avec une répartition inégale

3.9 Effets Seebeck et Peltier

en divisant la température Г sur sa longueur X. Le gradient de température entre des points arbitrairement situés détermine la force électromotrice thermique entre eux. D'autres températures (par exemple, T3 T4 Et V 5) n'affecte pas la valeur emf. entre les points 1 et 2. Pour mesurer la fem. le voltmètre est connecté au conducteur, comme le montre la Fig. 3.34 B. Ce n’est pas aussi simple qu’il y paraît à première vue. Pour mesurer la force électromotrice thermique. vous devez connecter les sondes du voltmètre en conséquence. Cependant, les sondes du voltmètre sont souvent constituées de conducteurs différents du conducteur testé. Considérons un circuit simple pour mesurer la force électromotrice thermique. (Fig. 3.35A). Dans un tel circuit, le compteur est connecté en série avec le conducteur. Si le circuit est constitué du même matériau, il n’y aura pas de courant dans le circuit, même si la température est inégale sur toute sa longueur. Car dans ce cas, les deux moitiés du circuit créeront des courants d’égale ampleur, mais de sens opposés, qui se détruiront mutuellement. F.E.M. thermique se produit dans tout conducteur ayant une température inégale, mais il est souvent impossible de le mesurer directement.

composé

Riz. 3.34. A - Expérience de Seebeck, B - la température variable le long du conducteur est à l'origine de l'apparition d'une force électromotrice thermique

Riz. 3.35. Circuit thermoélectrique : A - une connexion de métaux identiques ne conduit à l'apparition d'un courant quelle que soit la différence de température, B - une connexion de métaux différents induit un courant A/.

Pour la recherche thermoélectricité il faut avoir un circuit composé de jx&yx différent matériaux (ou issus des mêmes matériaux, mais dans des conditions différentes, par exemple, l'un est dans un état de contrainte et l'autre non).

Ce n'est qu'alors qu'il est possible de déterminer la différence entre leurs propriétés thermoélectriques. En figue. La figure 3.35B montre un circuit composé de deux métaux différents dans lequel une différence de courant se produit : . La valeur de Δi dépend de nombreux facteurs, notamment de la forme et de la taille des conducteurs. Si au lieu du courant nous mesurons la tension sur un conducteur ouvert, la différence de potentiel sera déterminée seulement type de matériaux et leur température et ne dépendra d’aucun autre facteur. La différence de potentiel induite par la chaleur est appelée Tension Seebeck.

Que se passe-t-il lorsque deux conducteurs sont connectés l’un à l’autre ? Les électrons libres dans un métal se comportent comme un gaz parfait. L'énergie cinétique des électrons est déterminée par la température du matériau. Cependant, dans différents métaux, l’énergie et la densité des électrons libres ne sont pas les mêmes. Lorsque deux matériaux différents à la même température entrent en contact, des électrons libres se déplacent à travers la jonction par diffusion. Le potentiel électrique du matériau qui a accepté des électrons devient plus négatif et celui du matériau qui a cédé des électrons devient plus positif. Les différentes concentrations d'électrons des deux côtés de la jonction forment un champ électrique qui équilibre le processus de diffusion, entraînant l'établissement d'un certain équilibre. Si le circuit est fermé et que les deux connexions sont à la même température, les champs électriques qui les entourent s’annulent, ce qui n’arrive pas lorsque les connexions sont à des températures différentes.

Des études ultérieures ont montré que l'effet Seebeck est de nature électrique. On peut affirmer que les propriétés thermoélectriques des conducteurs sont les mêmes propriétés volumétriques des matériaux que la conductivité électrique et thermique, et le coefficient α un - caractéristiques uniques du matériau. Lors de la combinaison de deux matériaux différents (A et B), il est toujours nécessaire de déterminer la tension Seebeck. Cela peut être fait en utilisant différentiel Coefficient de Seebeck :

La tension à la connexion est alors :

dV AB = α AB UT.(3.90)

L'équation (3.90) est parfois utilisée pour déterminer le coefficient différentiel :

Par exemple, la fonction de gradient de tension en fonction de la température pour un thermocouple de type T peut être approchée avec un degré raisonnable de précision à l'aide de l'équation du second ordre :

Alors l’expression du coefficient différentiel de Seebeck prend la forme suivante :

3 9 Effets Seebeck et Peltier je je 3

Il ressort clairement de l’équation que le coefficient est une fonction linéaire de la température. Parfois on l'appelle sensibilité connexion des thermocouples. Le composé de référence, que l’on trouve généralement à une température plus froide, est appelé sommeil froid, et la deuxième connexion est Nous dormons chaud. Le coefficient Seebeck ne dépend pas de la nature physique de la connexion : les métaux peuvent être tordus, soudés, brasés, etc. Seules la température des jonctions et les propriétés des métaux comptent. L'effet Seebeck est une conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique.

L'annexe présente les valeurs des coefficients thermoélectriques et des résistivités volumétriques pour certains types de matériaux. Du tableau correspondant, il ressort que la meilleure sensibilité est obtenue en combinant deux métaux de signes de coefficients opposés. UNà leurs valeurs maximales possibles.

En 1826, A. Becquerel propose d'utiliser l'effet Seebeck pour mesurer
changements de température. Cependant, le premier modèle de thermocouple a été développé par Henry
Le Chatelier près de soixante ans plus tard. Il a réussi à découvrir que
des fils de connexion en platine et en alliage de platine et de rhodium permettent d'obtenir
contrainte thermique la plus élevée. Le Chatelier a étudié et décrit le thermoélectrique
propriétés de nombreuses combinaisons de métaux. Les données qu'il a obtenues sont encore utilisées aujourd'hui.
sont utilisés lors de la réalisation de mesures de température. L'annexe fournit des informations sur
valeurs de sensibilité de certains des plus
types de thermos les plus courants
vapeur correspondant à une température de 25°C,
et sur la fig. 3.36 montre la tension Ze
ebeka pour thermocouples standard à shi
plage de température rocheuse. Suivant
Il convient de noter que le thermoélectrique
la sensibilité n'est pas constante
noi sur toute la plage de température, et ter
Les Mopars sont généralement comparés à 0°C.
L'effet Seebeck est également utilisé dans
les thermoéléments, qui, en substance,
représentent plusieurs après-naissances
thermocouples étroitement connectés. Dans
temps de repos thermocouples souvent
utilisé pour détecter la chaleur
émissions (section 14.6.2 du chapitre 14).
Les premiers thermoéléments fabriqués à partir de fils ont été développés par James
som Joule (1818-1889) pour augmenter la tension de sortie du capteur de mesure
dispositifs.

Actuellement, l'effet Seebeck est utilisé dans les capteurs intégrés, dans lesquels des paires de matériaux correspondantes sont déposées à la surface de substrats semi-conducteurs. Un exemple de tels capteurs est un thermocouple pour détecter le rayonnement thermique. Le silicium ayant un coefficient Seebeck assez élevé, il est utilisé pour la fabrication

Des détecteurs thermoélectriques très sensibles sont en cours de développement. L'effet Seebeck est associé à la dépendance à la température de l'énergie de Fermi E r Par conséquent, le coefficient Seebeck pour le silicium de type n peut être approché par une fonction de la résistivité électrique dans la plage de température d'intérêt (pour les capteurs à température ambiante) :

où p 0 ≈5x10 -6 Ohm et t≈2,5 sont des constantes À- Constante de Boltzmann, une q- charge électrique. A l'aide d'additifs d'alliage, on obtient des matériaux avec des coefficients Seebeck de l'ordre de 0,3...0,6 mV/K. L'annexe présente les valeurs des coefficients Seebeck pour certains métaux et silicium. Le tableau correspondant montre que les coefficients Seebeck pour les métaux sont bien inférieurs à ceux du silicium et que l'influence des conducteurs d'aluminium sur les microcircuits est insignifiante en raison de la valeur élevée du coefficient Seebeck pour le silicium.

Au début du XIXe siècle, l'horloger français devenu physicien, Jean Charles Athanas Pelletier (1785-1845) découvre que lorsqu'un courant électrique passe d'un matériau à un autre, au point de leur connexion, soit de la chaleur est libéré ou absorbé, qui dépend du sens du courant :

où i est la force actuelle, a t- temps. Coefficient R. a la dimension de la tension et est déterminé par les propriétés thermoélectriques du matériau. Il convient de noter que la quantité de chaleur ne dépend pas de la température des autres composés.

L'effet Peltier est la libération ou l'absorption de chaleur lorsqu'un courant électrique traverse une jonction de deux métaux différents. Ce phénomène est typique aussi bien lorsque le courant provient de sources externes que lorsqu'il est induit à la jonction du thermocouple en raison de l'effet Seebeck.

L'effet Peltier est utilisé dans deux situations : lorsqu'il est nécessaire soit d'apporter de la chaleur à la jonction des matériaux, soit de l'enlever, ce qui se fait en changeant le sens du courant. Cette propriété a trouvé son application dans les appareils où un contrôle précis de la température est requis. On pense que les effets Peltier et Seebeck sont de même nature. Cependant, il faut bien comprendre que la chaleur

Peltier et Joule sont différents l'un de l'autre. Chaleur Peltier par opposition à la chaleur Joule linéaire dépend de la force actuelle. (La chaleur Joule est libérée lorsqu'un courant électrique de n'importe quelle direction traverse un conducteur ayant une résistance finie. L'énergie thermique libérée dans ce cas est proportionnelle au carré du courant : R.= je 2 /R, Où R- résistance du conducteur). L'ampleur et la direction de l'énergie thermique Peltier ne dépendent pas de la nature physique de la connexion de deux matériaux différents, mais sont entièrement déterminées par leurs propriétés thermoélectriques globales. L'effet Peltier est utilisé pour construire des refroidisseurs thermoélectriques utilisés pour réduire la température des détecteurs de photons fonctionnant dans la gamme IR lointaine du spectre (section 14.5 du chapitre 14), ainsi que des hygromètres à miroir refroidi (section 13.6 du chapitre 13).

Il ne faut pas oublier qu'à tout moment du circuit où deux ou plusieurs métaux différents ayant des températures différentes sont connectés, un courant thermoélectrique se produit toujours. Cette différence de température s'accompagne toujours du phénomène de conductivité thermique de Fourier, et lorsqu'un courant électrique passe, de la chaleur Joule est libérée. Dans le même temps, la circulation du courant électrique est toujours associée à l'effet Peltier : dégagement ou absorption de chaleur à la jonction de divers métaux, tandis que la différence de température provoque également l'effet Thompson : échauffement ou refroidissement des conducteurs sur toute leur longueur. Ces deux effets thermiques (Thompson et Peltier) sont exprimés sous forme de quatre composantes dans l'expression de la FEM. Seebeck :

Où σ+- - une quantité appelée coefficient de Thompson, que Thomson lui-même appelle la capacité thermique spécifique de l'électricité, faisant une analogie entre UN et la chaleur spécifique habituelle c, acceptée en thermodynamique. Ordre de grandeur Ô montre la vitesse à laquelle la chaleur est libérée ou libérée par unité de différence de température et par unité de masse.

Les ondes sonores

Les ondes sonores sont une compression et une expansion périodiques d'un milieu (solides, liquides et gaz) qui se produisent à une certaine fréquence. Les composants du milieu effectuent des mouvements oscillatoires dans le sens de propagation des ondes, c'est pourquoi ces ondes sont appelées ondes mécaniques longitudinales. Nom son est associé à la plage de perception de l'audition humaine, qui est approximativement comprise entre 20 et 20 000 Hz. Les ondes mécaniques longitudinales inférieures à 20 Hz sont appelées infrasonique, et au-dessus de 20 kHz - ultrasonique. Si la classification des ondes était effectuée par rapport à d'autres animaux, par exemple les chiens, la gamme des ondes sonores serait beaucoup plus large.

La détection des ondes infrasonores est utilisée dans l'étude des structures des bâtiments, la prévision des tremblements de terre et l'étude d'autres objets de grandes dimensions géométriques. Les gens ressentent des ondes infrasons de grande amplitude, même s'ils ne peuvent pas les entendre, et ils ont l'apparence de

Chapitre 3. Principes physiques des capteurs

des phénomènes psychologiques tels que la panique, la peur, etc. apparaissent. Des exemples d'ondes dans la gamme sonore sont les vibrations des cordes (instruments de musique à cordes), les vibrations d'une colonne d'air (instruments de musique à vent) et le son des assiettes (certains instruments à percussion, cordes vocales, haut-parleurs). Quelle que soit la nature de l'origine des sons, une alternance de compression et de raréfaction de l'air se produit toujours, tandis que les ondes se propagent dans toutes les directions. Le spectre des ondes sonores peut être très différent : des simples sons monophoniques d'un métronome et d'un tuyau d'orgue aux riches mélodies d'un violon. Le bruit a généralement un spectre très large. Il peut avoir une distribution de densité uniforme ou être présent uniquement à certaines fréquences harmoniques.

Au stade de compression du milieu, son volume passe de V à V-ΔV. Rapport de changement de pression Δр au changement relatif de volume est appelé module d'élasticité volumique du milieu :

où p 0 est la densité en dehors de la zone de compression, et v est la vitesse du son dans le milieu. À partir de là, la vitesse du son est déterminée comme suit :

La vitesse du son dépend donc de l’élasticité (DANS) et propriétés inertielles du milieu (p 0). Puisque les deux variables sont fonction de la température, la vitesse du son dépend également de la température. Cette propriété est à la base des thermomètres acoustiques (section 16.5 du chapitre 16). Pour les solides, la vitesse longitudinale peut être déterminée en termes de module d'Young E et le coefficient de Poisson W :

L'Annexe montre la vitesse de propagation des ondes longitudinales dans certains milieux. Il est à noter que la vitesse du son dépend de la température, qui doit toujours être prise en compte lors de la conception de capteurs spécifiques.

Considérons la propagation d'une onde sonore dans un tuyau d'orgue, où chaque petit élément volumétrique de l'air vibre autour d'un état d'équilibre. Pour une harmonique pure, le déplacement d'un volume élémentaire par rapport à l'état d'équilibre peut être décrit par l'expression suivante :

Où X- position d'équilibre, à- déplacement de la position d'équilibre, tu - l'amplitude, et λ est la longueur d'onde. En pratique, il est plus pratique de considérer l'évolution de la pression dans une onde sonore :

3 10 Ondes sonores

Où k=2π/λ- ordre des vagues, ω - fréquence angulaire, et les termes de la première parenthèse correspondent à l'amplitude r t pression acoustique Il convient de noter que sin et cos dans les équations (3 100) et (3 101) indiquent que les phases des ondes de déplacement et de pression diffèrent de 90°

La pression en un point donné du milieu n'est pas constante. La différence entre les valeurs de pression instantanée et moyenne est appelée pression acoustique P Lors de la propagation des ondes, les particules d'air vibrantes oscillent autour de la position d'équilibre avec une vitesse instantanée ξ. Le rapport entre la pression acoustique et la vitesse instantanée (à ne pas confondre avec la vitesse de l'onde 1) est appelé impédance acoustique.

qui est une grandeur complexe caractérisée par l'amplitude et la phase. Pour un environnement idéal (dans lequel il n'y a pas de pertes), Z- un nombre réel lié à la vitesse des vagues par la relation

L'intensité d'une onde sonore est définie comme la puissance transmise à travers une unité de surface. Elle peut également être exprimée en termes de grandeur de l'impédance acoustique.

Cependant, dans la pratique, le son est le plus souvent caractérisé non pas par l'intensité, mais par le paramètre β, appelé niveau sonore, déterminé par rapport à l'intensité standard I 0 = 10 12 W/m 2

Cette valeur de I 0 a été choisie car elle correspond à l'éventail inférieur de l'audition de l'oreille humaine. R. est le décibel (dB), nommé d'après Alexander Bell Quand I=I 0 , β=0

Les niveaux de pression peuvent également être exprimés en décibels

Où P 0 = 2x10 5 N/m 2 (0 0002 μbar) = 2 9x10 9 psi

Le tableau 3 3 montre les niveaux de certains sons L'oreille humaine réagissant différemment aux sons de différentes fréquences, les niveaux sonores sont généralement donnés pour une intensité I 0 correspondant à une fréquence de 1 kHz, où la sensibilité auditive est maximale.

Tableau 3.3. Niveaux sonores β à I 0 correspondant à 1000 Hz

En physique et en génie électrique, il existe le concept d'effet thermoélectrique, également connu sous le nom d'effet Seebeck. Ce phénomène est la formation d'une force électromotrice à l'intérieur d'un circuit fermé électriquement conducteur constitué de conducteurs différents. Ils sont constitués de matériaux thermoélectriques et connectés en série les uns aux autres. La condition principale pour l'apparition de l'effet est la différence de température formée aux jonctions. Il existe un processus inverse de l'effet thermoélectrique appelé.

Dispositifs thermoélectriques et applications de l'effet Seebeck

Les matériaux thermoélectriques sont le plus souvent des alliages dont les propriétés sont similaires à celles des semi-conducteurs. Cette catégorie comprend également certains composés chimiques présentant des paramètres spécifiques qui les rendent adaptés à une utilisation dans les appareils thermoélectriques.

Il existe trois applications principales de l’effet Seebeck dans diverses conceptions et appareils :

• Générateurs thermoélectriques.
• Réfrigérateurs thermoélectriques.
• Thermomètres dans une large gamme : du zéro absolu à plusieurs milliers de degrés Kelvin.

Une légère différence de température entre les jonctions, comme l'ont montré les expériences, conduit à l'apparition d'une force thermoélectromotrice proportionnelle à la différence de température des éléments inclus dans le circuit. Des conducteurs homogènes fonctionnant sont disponibles dans n'importe quelle dyade. À son tour, une force thermoélectromotrice y apparaît, qui est déterminée par les propriétés des conducteurs et la différence de température. Dans ce cas, la répartition de la température entre les contacts ne joue aucun rôle déterminant. C'est l'effet Seebeck thermoélectrique.

Si le circuit est constitué de seulement deux conducteurs différents, alors cette combinaison sera appelée thermocouple. Le niveau de thermo-EMF dans ce cas dépend des matériaux des conducteurs et de la différence de température entre les contacts. Dans la plupart des cas, un thermocouple est utilisé pour déterminer les valeurs de température. Des mesures jusqu'à 1 400 degrés Kelvin peuvent être effectuées avec des appareils contenant des éléments non précieux. À des températures de 1 900 degrés et plus, des métaux du groupe du platine seront nécessaires. Pour les compteurs spéciaux à très haute température, des alliages spéciaux résistant à la chaleur sont utilisés.

La conversion de l'énergie thermique en énergie électrique s'effectue à l'aide de générateurs thermoélectriques. Le processus de fonctionnement de base de ces appareils est également lié à l’effet Seebeck. De ce fait, même l’énergie thermique perdue libérée par les moteurs des machines peut être convertie. L'électricité ainsi obtenue est utilisée aux fins prévues pour alimenter divers appareils.

Les avantages de ces générateurs sont leur longue durée de vie et la possibilité de les stocker dans un état inopérant sans aucune restriction. Leur fonctionnement est fiable et stable, éliminant complètement le risque de court-circuit. Le fonctionnement de ces appareils est absolument silencieux, puisque leur conception ne contient aucun élément mobile.

Ces appareils n'ont pas été largement utilisés uniquement en raison de leur faible coefficient d'efficacité de 3 à 8 %. Cependant, en l’absence de lignes électriques conventionnelles et d’une faible charge attendue, l’utilisation de tels générateurs sera tout à fait justifiée. En conséquence, l'effet Seebeck a trouvé une application dans le domaine de l'approvisionnement en énergie pour la technologie spatiale, dans les convertisseurs d'énergie solaire, les systèmes de chauffage et dans de nombreux autres domaines où l'utilisation de sources d'électricité traditionnelles n'est pas possible.

Effet Seebeck et Peltier

L'essence de l'effet Seebeck est la formation d'une force électromotrice dans un circuit électrique, qui comprend des conducteurs A et B dont les contacts ont des températures T 1 et T 2 différentes. Ces propriétés permettent une conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique.

De ce fait, l'effet Seebeck a été largement utilisé dans divers domaines, dont la formule détermine la thermo-EMF du circuit : où les valeurs S A et S B sont les forces thermo-électromotrices absolues des conducteurs A et B. La thermo-EMF absolue fait référence à l'une des caractéristiques du conducteur et est S=du/dT, où u est la force électromotrice qui apparaît dans le conducteur lorsqu'il y a une différence de température dans celui-ci. Ainsi, la base théorique de l’effet Seebeck est étroitement liée aux changements de température.

L'élément Peltier est l'exact opposé des dispositifs basés sur l'effet Seebeck. Dans ce cas, au contraire, sous l'influence du courant électrique, une différence de température se forme sur les sites de travail de la structure. Ainsi, à l’aide du courant électrique, la chaleur est transférée d’un thermocouple à un autre. Lorsque la direction du courant change, le côté chauffé prend l’état opposé.

Cet effet se produit dans deux conducteurs différents ayant la même conductivité. Dans chacun d’eux, les électrons ont une valeur énergétique différente et sont situés à une distance très proche les uns des autres. En conséquence, les charges seront transférées d'un milieu à un autre et les électrons ayant une énergie plus élevée dans un contexte de niveaux faibles abandonneront l'excès dans le réseau cristallin, provoquant un échauffement. En cas de manque d'énergie, au contraire, elle est transférée du réseau cristallin, entraînant un refroidissement de la jonction.

Dans le cas de différents types de conductivité, de semi-conducteurs présents dans le thermocouple, l'effet Peltier sera légèrement différent. Lorsqu’un électron pénètre dans un matériau p, il remplace un trou au niveau énergétique. En conséquence, il perd de l'énergie cinétique de mouvement et un changement d'état se produit. L'énergie libérée favorise la formation de porteurs libres des deux côtés de la jonction pn, et la partie restante va au réseau cristallin, ce qui provoque un échauffement. Si au moment initial la valeur énergétique est inférieure, la jonction commencera à se refroidir.

Introduction

1. Découvreur du phénomène de thermoélectricité

2. Informations générales sur l'apparition de la force électromotrice

3. Le concept de l'effet Seebeck thermoélectrique

4. Application de l'effet Seebeck

Conclusion

Liste de la littérature utilisée

Introduction

Peut-être que de nouveaux gisements de pétrole et de charbon nous attendent dans des régions aussi peu explorées que l'Australie, le Sahara ou l'Antarctique. En outre, de nouvelles technologies d'extraction du charbon des couches minces et profondes, ainsi que du pétrole des gisements offshore, sont intensivement développées et maîtrisées.

Il ne fait aucun doute que des méthodes fondamentalement nouvelles et plus efficaces d’utilisation des combustibles fossiles seront développées. Le processus traditionnel en plusieurs étapes consistant à brûler du carburant pour produire de la vapeur d’eau, qui est envoyée faire tourner une turbine de générateur pour produire de l’électricité, entraîne d’énormes pertes d’énergie. La plupart de ces pertes peuvent être évitées en apprenant à convertir directement la chaleur en électricité. La possibilité d'un tel processus a été découverte pour la première fois par le physicien allemand T. Seebeck en 1823. Après avoir étroitement connecté les fils de deux métaux différents dans un circuit fermé et chauffé la jonction, il remarqua comment l'aiguille d'une boussole à proximité tremblait. Cela signifiait que, sous l'influence de la chaleur, un courant électrique (thermoélectricité) apparaissait dans le circuit. Cependant, l'auteur lui-même a mal interprété les résultats de sa propre expérience et sa découverte a été longtemps oubliée.

Cependant, avec l’avènement des matériaux et des technologies semi-conducteurs, l’effet Seebeck, oublié, a de nouveau attiré l’attention des scientifiques. En conséquence, des dispositifs thermoélectriques basés sur des matériaux semi-conducteurs ont été développés. Lorsqu'une extrémité d'un semi-conducteur est chauffée, un potentiel électrique y apparaît : dans un semi-conducteur de type P, une charge négative apparaît à l'extrémité froide et une charge positive apparaît dans l'électrode n. Si ces deux électrodes sont connectées dans une structure en forme de U avec une jonction n-p en bas, alors le chauffage de cette jonction provoquera l'accumulation d'une charge négative à l'extrémité supérieure de l'électrode p et d'une charge positive à l'extrémité supérieure de l'électrode p. l'électrode n.

En conséquence, un courant électrique circulera entre eux et ce processus se poursuivra tant que la différence de température sera maintenue. (À l’inverse, le passage du courant électrique à travers un thermocouple provoque l’absorption de chaleur et une baisse de la température, ce qui permet de l’utiliser comme appareil de réfrigération.)

L'élément thermoélectrique - très compact, ne nécessitant ni générateur coûteux ni machine à vapeur encombrante - peut être facilement installé presque n'importe où et utilisé comme source d'énergie pratique. Tout ce qu'il faut, c'est un chauffage externe, tel qu'un brûleur au kérosène.

effet de courant thermoélectrique Seebeck

1. Découvreur du phénomène de thermoélectricité

Seebek Thomas Johann (9.IV.1770 - 10.XII.1831) - Physicien allemand, membre de l'Académie des sciences de Berlin (1814) R. à Reval (aujourd'hui Tallinn). Il étudia aux universités de Berlin et de Göttingen, où il obtint un doctorat en 1802. Il a travaillé à Iéna, dans les années 20 à Berlin.

Les travaux sont consacrés à l'électricité, au magnétisme, à l'optique. En 1821, il découvre le phénomène de la thermoélectricité (dans le couple cuivre-bismuth), construit un thermocouple et l'utilise pour mesurer la température. Le premier utilisait de la limaille de fer pour déterminer la forme des lignes de champ magnétique. Il a étudié l'effet magnétique du courant, la polarisation chromatique et la distribution de la chaleur dans le spectre prismatique. Découverte des propriétés polarisantes de la tourmaline (1813). Rayons infrarouges retrouvés, polarisation circulaire, magnétisation du fer et de l'acier à proximité d'un conducteur porteur de courant.

En 1821, le scientifique berlinois membre de l'Académie des sciences de Berlin Seebeck (1770-1831) décide de reproduire l'expérience d'Oersted sur l'effet du courant électrique continu sur une aiguille magnétique. Mais la source de courant n’était pas une batterie galvanique, mais un contact sec de deux métaux sans aucun électrolyte. Seebeck a constaté que l'aiguille magnétique ne réagissait qu'au moment où l'expérimentateur touchait le point de contact avec ses mains. De plus, peu importe que les mains soient sèches ou mouillées. Il n'y avait aucun effet même lorsque le contact était pressé avec les mains à travers du papier humide. Mais lorsqu'elle était comprimée à travers du verre ou du métal, l'aiguille déviait. Après avoir mené de nombreuses expériences, Seebeck est devenu convaincu que l'essence du phénomène résidait dans la chaleur des mains avec lesquelles ce contact était serré. C’est pourquoi cet effet est appelé thermomagnétique.

Ces expériences furent bientôt confirmées par Oersted et Fourier. Il s'est avéré que l'élément Seebeck crée non seulement un champ magnétique, mais est également capable de décomposer des composés chimiques. De cette manière, il est assimilé à une source de courant chimique. C’est pourquoi ce phénomène a été appelé thermoélectricité.

Mais le découvreur de ce phénomène lui-même n'était pas d'accord avec cette interprétation. Il a lui-même étudié la théorie du magnétisme terrestre et a expliqué ce phénomène par la différence de température entre l'équateur et les pôles terrestres. Dans ces expériences, le scientifique a vu une confirmation de son point de vue. Il croyait que ce sont les courants résultant de l’effet qu’il a découvert qui ont généré le champ magnétique.

Il faut rendre hommage au professeur berlinois. Lui-même, après avoir mené de nombreuses expériences, a accumulé beaucoup de matériel irréfutable, ce qui l'a non seulement forcé à abandonner son hypothèse, mais a également fourni à la science de nombreuses nouvelles données fondamentales.

L'effet Seebeck - la transition de l'énergie électrique en énergie thermique et vice versa - a trouvé de nombreuses applications technologiques. Les convertisseurs thermiques - thermocouples - fonctionnent sur cette base.

La majorité de toutes les mesures de température sont réalisées par des convertisseurs thermoélectriques dont le principe de fonctionnement est basé sur le phénomène Seebeck.

En 1821, un scientifique allemand, originaire de Revel (aujourd'hui Tallinn), T.Y. Seebeck (1770-1831) a découvert que si les jonctions de deux métaux différents formant un circuit électrique fermé ne sont pas à la même température, alors un courant électrique circule dans le circuit. Un changement de signe de la différence de température de jonction s'accompagne d'un changement de direction du courant.

Ce fait a servi de base à la création d'un dispositif dont l'élément sensible est un thermocouple - deux conducteurs constitués de matériaux différents connectés l'un à l'autre à une extrémité (de travail), les deux autres extrémités (libres) des conducteurs sont connectées à un circuit de mesure ou directement à un appareil de mesure, et la température du liquide est finalement connue à l'avance. Un thermocouple forme un dispositif (ou une partie de celui-ci) qui utilise l'effet thermoélectrique pour mesurer la température. L'effet thermoélectrique fait référence à la génération d'une force thermoélectromotrice (thermoEMF) résultant de la différence de température entre deux composés de métaux et d'alliages différents (Fig. 1), faisant partie du même circuit.

La thermoemf d'un thermocouple est causée par trois raisons. Le premier est la dépendance du niveau de Fermi de l'énergie électronique dans un conducteur à la température, ce qui conduit à des sauts de potentiel inégaux lors de la transition d'un métal à un autre au niveau des jonctions des thermocouples situées à différentes températures. Deuxièmement, en présence d'un gradient de température, les électrons situés dans la région de l'extrémité chaude du conducteur acquièrent des énergies et une mobilité plus élevées. Un gradient de concentration électronique avec des valeurs d'énergie accrues apparaîtra le long du conducteur, ce qui entraînera la diffusion d'électrons plus rapides vers l'extrémité froide et d'électrons plus lents vers l'extrémité chaude. Mais le flux de diffusion des électrons rapides sera plus important. De plus, en présence d'un gradient de température le long du conducteur, une dérive de photons se produit - quanta d'énergie vibratoire du réseau cristallin. En entrant en collision avec les électrons, les photons leur transmettent un mouvement directionnel de l'extrémité la plus chaude du conducteur vers l'extrémité la plus froide. Les deux derniers processus conduisent à un excès d’électrons près de la partie froide et à une pénurie près de la partie chaude. En conséquence, un champ électrique apparaît à l’intérieur du conducteur, dirigé vers le gradient de température. Ainsi, la FEM thermique d'un thermocouple se produit uniquement en raison de la présence d'un gradient de température longitudinal dans les conducteurs composant la paire.

2. Informations générales sur l'apparition de la force électromotrice

Dans les métaux semi-conducteurs, les processus de transfert de charge (courant électrique) et d'énergie sont interconnectés, car ils s'effectuent par le mouvement de porteurs de courant mobiles - électrons et trous de conduction. Cette relation donne lieu à un certain nombre de phénomènes (Seebeck, Peltier et Thomson), appelés phénomènes thermoélectriques.

L'effet Seebeck est que dans un circuit électrique fermé composé de métaux différents, de l'énergie thermoélectrique apparaît. d.s. si les points de contact sont maintenus à des températures différentes. Cette FEM dépend uniquement de la température et de la nature des matériaux qui composent le thermoélément. Thermo e. d.s. pour les paires métalliques, elle peut atteindre 50 µV/degré ; dans le cas des matériaux semi-conducteurs, la valeur du pouvoir thermoélectrique est plus élevée (10 au 2ème + 10 au 3ème μV/degré).

Méthode électrothermique de détection de défauts, qui consiste à chauffer la zone contrôlée en y faisant passer un courant électrique constant pendant un certain temps, à mesurer la température de son échauffement à l'aide d'un capteur à thermocouple, et à juger de la présence d'un défaut par l'écart de cette température à partir de la température de chauffage de la zone exempte de défauts de la connexion de soudure, caractérisé en ce que pour contrôler la zone du joint soudé de deux métaux différents, par exemple des unités de contact de composants radio, un thermocouple formé par le Les métaux joints sont utilisés comme capteur à thermocouple.

Pour vérifier la qualité de la soudure, la répartition du potentiel thermoélectrique à travers le joint est mesurée. Les pics et les vallées dans les courbes de distribution indiquent l'hétérogénéité de la couture, et leur ampleur indique le degré d'hétérogénéité. Rapidement et clairement.

Si un certain nombre de conducteurs de n'importe quelle composition sont connectés en série à l'espace de l'une des branches du thermoélément, dont toutes les jonctions (contacts) sont maintenues à la même température, alors thermoe. d.s. dans un tel système sera égal à la puissance thermique de l'élément d'origine.

Thermocouple contenant un capot de protection, des thermoélectrodes à isolation électrique dont les extrémités actives sont équipées d'un cavalier conducteur formant une jonction de mesure, caractérisé en ce que pour augmenter la durée de vie du thermocouple dans des conditions de vibrations accrues et de vitesses de chauffage élevées , la jonction de mesure du thermocouple est réalisée sous la forme d'une couche de poudre métallique située au fond du capot de protection.

Lors de la mesure de l'état physique des substances impliquées en contact, la valeur thermoe change également. d.s.

L'invention concerne une méthode de reconnaissance de systèmes avec une solubilité mutuelle limitée et illimitée de composants basée sur la dépendance à la température de l'énergie thermoélectrique. d.s., caractérisé en ce que pour augmenter la fiabilité de la reconnaissance, le thermoe est mesuré. d.s. contact de deux échantillons étudiés Entre un métal comprimé par pression uniforme et le même métal sous pression normale, de l'énergie thermoélectrique apparaît également. d.s.

Par exemple, pour le fer à une température de 100 degrés C et une pression de 12 kbar, la puissance thermique est de 12,8 μV. Lorsqu'un métal ou un alliage est saturé dans un champ magnétique par rapport à la même substance sans champ magnétique, il se produit une puissance thermique de l'ordre de 09 μV/degré.

3. Le concept de l'effet Seebeck thermoélectrique

Si le passage du courant dans un circuit fermé provoque l'échauffement de certaines et le refroidissement d'autres jonctions, alors l'échauffement de certaines et le refroidissement d'autres contacts entraînent l'apparition de courant dans le circuit (effet Seebeck, ou effet thermoélectrique) en l'absence d'un courant. source externe.

Que la température T0 en tous points d'une tige métallique homogène (Fig. 2) soit la même ; Cela signifie que les concentrations, les énergies moyennes et les vitesses des électrons libres sont les mêmes partout.

Chauffons une extrémité de la tige et maintenons-la à une température constante T>T 0. On refroidira continuellement l'extrémité opposée pour que sa température T 0 reste inchangée. Ensuite, un gradient de température s’établira dans la tige et un flux constant de chaleur la traversera. Le transfert de chaleur dans les métaux s'effectue principalement par le mouvement d'électrons libres. Dans ce cas, les électrons traversant la section efficace 1-1 provenant d'une région avec une température plus élevée transportent avec eux plus d'énergie que les électrons traversant la même section efficace dans la direction opposée. En raison de la différence de vitesse des électrons situés dans des régions avec des températures différentes, le nombre d'électrons traversant la section efficace 1 - 1 dans des directions opposées sera également différent. Ainsi, à l'état d'équilibre, la présence d'un gradient de température le long de la tige crée une différence de potentiel constante à ses extrémités, dont l'ampleur est proportionnelle au gradient de température.

Si deux métaux différents 1 et 2 sont soudés au même endroit et que la jonction est chauffée à une certaine température T dépassant la température des deux extrémités T 0 (Fig. 3, a), alors en raison de la chute différente du potentiel des deux métaux et leurs concentrations électroniques, les potentiels des extrémités libres seront différents et une différence de potentiel U apparaîtra entre les métaux. Si une telle jonction est chauffée à une température T différente" (Fig. 3, b), alors un une valeur différente de la différence de potentiel U' sera établie entre les extrémités libres.

En reliant les extrémités libres de métaux identiques (comme le montre la figure 3 avec une ligne pointillée), nous voyons que dans un circuit fermé de deux métaux différents, une force électromotrice apparaît

si une différence de température constante est maintenue entre les jonctions. Cette quantité est appelée force thermoélectromotrice (thermopuissance) et crée un courant électrique constant dans un circuit fermé (Fig. 4).

Dérivé

caractérise l'augmentation de la puissance thermique pour une paire de métaux donnée lorsqu'une des jonctions est chauffée de 1° et est généralement très faible. Pour les couples fer - cuivre, fer - constantan, largement utilisés en technologie pour mesurer les températures, e 1, 2 est de l'ordre de 50 µV/deg. Pour un couple d'alliage platine-platine-rhodium haute température, ce coefficient est environ 10 fois inférieur.

En mesurant la valeur de la puissance thermique, il est possible de déterminer la différence de température entre des jonctions placées dans des réservoirs différents. Pour de telles applications pratiques, on choisit des thermocouples dont le coefficient e 1,2 reste pratiquement constant sur une large plage de température. Dans ce cas, e. d.s. est directement proportionnelle à la différence de température entre les soudures chaudes et froides :

e 1,2 = const et .

Il est nécessaire de souligner la différence fondamentale entre la différence de potentiel de contact et les phénomènes thermoélectriques. Les potentiels de contact ont une valeur relativement importante (de l'ordre de plusieurs volts) et caractérisent le champ électrique extérieur aux conducteurs entre les surfaces extérieures de ces derniers. La différence de potentiel de contact est un effet statique qui ne disparaît pas même à température nulle absolue. En revanche, les phénomènes thermoélectriques sont des effets purement cinétiques observés en présence de flux de chaleur ou de charge (c'est-à-dire de courant). Les différences de potentiel qui en résultent sont faibles en valeur absolue (fractions de millivolt). Au zéro absolu, le nombre d'électrons n" responsables de ces effets est nul et tous les phénomènes thermoélectriques disparaissent.

La constance de e 1,2 et la dépendance linéaire ne sont pas toujours observées et pas sur toute la plage de température. Pour un certain nombre de systèmes, avec l'augmentation de la température de la soudure chaude, la puissance thermique ne change pas de façon monotone, elle augmente d'abord, puis diminue et passe même par zéro (point d'inversion). De plus, la valeur de la puissance thermique (et le coefficient Peltier) est sensible aux influences mécaniques externes qui déforment la structure du métal et les niveaux d'énergie des électrons. C'est pourquoi les thermocouples utilisés dans la recherche technologique et scientifique nécessitent toujours un étalonnage individuel minutieux.

Les circuits et appareils électriques contiennent toujours des jonctions ou des contacts de conducteurs de composition et de traitement différents. Lorsque la température ambiante fluctue, une puissance thermique errante incontrôlée apparaît à ces points de contact. En raison de la petitesse de ces puissances thermiques, elles n'affectent généralement pas le fonctionnement des appareils, mais avec des mesures très précises et délicates, il est nécessaire de prendre en compte et d'éviter la possibilité de telles influences.

D’un autre côté, le thermopower a de nombreuses applications pratiques utiles, en tant que méthode électrique simple pour mesurer les températures. Dans ce but, à l'aide de thermocouples ou de thermoéléments, l'une des jonctions est maintenue à une température constante bien spécifique T 0 (par exemple placée dans de la glace fondante) et le courant thermique circulant dans un circuit fermé est mesuré.

à l'aide d'un galvanomètre, comme le montre la figure 5.

Dans les thermocouples techniques les plus rudimentaires, une des jonctions est simplement à température ambiante. Pour augmenter la sensibilité des thermoéléments, ils sont connectés en série dans une thermopile (Fig. 6).

Pour des mesures de précision, il est préférable de mesurer non pas le courant thermique, mais directement la puissance thermique, en la compensant par une force électromotrice connue.

4. Application de l'effet Seebeck

Le phénomène Seebeck ne contredit pas la deuxième loi de la thermodynamique, puisque dans ce cas l'énergie interne est convertie en énergie électrique, pour laquelle deux sources de chaleur (deux contacts) sont utilisées. Par conséquent, afin de maintenir un courant constant dans le circuit considéré, il est nécessaire de maintenir une différence de température constante entre les contacts : la chaleur est continuellement fournie au contact le plus chaud et la chaleur est continuellement évacuée du contact le plus froid.

Le phénomène Seebeck est utilisé pour mesurer la température. À cette fin, des thermoéléments ou thermocouples sont utilisés - des capteurs de température constitués de deux connectés entre eux avec des distances interstitielles dans un réseau métallique. Le nombre d'électrons impliqués dans la diffusion à travers la couche de contact représente environ 2 % du nombre total d'électrons situés à la surface du métal. Une si légère modification de la concentration électronique dans la couche de contact, d'une part, et de sa faible épaisseur par rapport au libre parcours moyen de l'électron, d'autre part, ne peut conduire à une modification notable de la conductivité de la couche de contact par rapport au libre parcours moyen de l'électron. au reste du métal. Par conséquent, le courant électrique traverse le contact de deux métaux aussi facilement qu'à travers les métaux eux-mêmes, c'est-à-dire la couche de contact conduit le courant électrique dans les deux sens (1 → 2 et 2 → 1) et ne donne pas non plus l'effet de rectification, qui est toujours associé à une conductivité unidirectionnelle.

Grâce au phénomène Seebeck, outre la température, il est possible de déterminer d'autres grandeurs physiques dont la mesure peut se réduire à la mesure des températures : intensité du courant alternatif, débit d'énergie radiante, pression des gaz, etc.

Pour augmenter la sensibilité, les thermoéléments sont connectés en série dans des thermopiles. Dans le même temps, toutes les jonctions paires sont maintenues à une température et toutes les jonctions impaires sont maintenues à une autre. La force électromotrice d'une telle batterie est égale à la somme de la puissance thermique des éléments individuels.

Les thermopiles miniatures (appelées thermopiles) sont utilisées avec succès pour mesurer l'intensité de la lumière (visible et invisible). Lorsqu'ils sont associés à un galvanomètre sensible, ils ont une sensibilité énorme : ils détectent, par exemple, le rayonnement thermique d'une main humaine.

La thermopile présente également un intérêt en tant que générateur de courant électrique. Cependant, l'utilisation de thermoéléments métalliques est inefficace, c'est pourquoi des matériaux semi-conducteurs sont utilisés pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique.

La création de convertisseurs d'énergie thermoélectriques à haut rendement est l'un des problèmes techniques actuels. Des recherches fondamentales et appliquées visant à résoudre ce problème sont menées à la fois dans les laboratoires universitaires et dans les centres de recherche des entreprises engagées dans la production de produits électroniques, d'automatisation et d'autres produits de haute technologie. Des travaux sont menés dans diverses directions, allant de l'étude des propriétés thermoélectriques des hétérostructures à la création de dispositifs thermoélectriques, de plus en plus utilisés dans la vie quotidienne, dans les transports et dans le secteur de l'énergie. L'utilisation de convertisseurs d'énergie thermoélectrique est associée à la génération de courant électrique, à l'utilisation dans les réfrigérateurs, les climatiseurs, les régulateurs de température, les déshumidificateurs, etc. Il y a un intérêt croissant pour les appareils thermoélectriques dans le monde entier. Le volume de thermoéléments produits et de dispositifs basés sur ceux-ci est en constante augmentation. Cela est dû au fait qu'il existe des domaines dans lesquels les avantages des méthodes thermoélectriques de conversion d'énergie sont indéniables. Il s'agit tout d'abord de l'alimentation électrique des machines utilisées pour l'exploration de l'espace lointain, des dispositifs autonomes d'exploration sismique et de l'installation de protection cathodique des oléoducs et gazoducs. La demande de matériaux thermoélectriques et de convertisseurs thermoélectriques à des fins diverses ne cesse de croître sur le marché mondial.

À cet égard, le Laboratoire de Science des Matériaux Thermoélectriques mène des recherches expérimentales et appliquées dans les domaines suivants :

Etude des schémas d'évolution de la susceptibilité magnétique des matériaux thermoélectriques à base de bismuth, d'antimoine et de tellure en fonction de la quantité et du type d'impureté dopante afin de déterminer la composition chimique des cristaux présentant des anomalies dans la valeur d'un certain nombre de grandeurs physiques provoquées par une intense interaction électron-plasmon.

Etude de la dépendance de la grandeur des coefficients de transfert électrique et thermique dans les cristaux semi-conducteurs dopés.

Détermination de la composition chimique des cristaux avec une efficacité thermoélectrique maximale.

Création de prototypes de convertisseurs d'énergie thermoélectrique pour une large plage de température.

Détermination des conditions optimales pour le processus de croissance de cristaux de matériaux thermoélectriques à base de semi-métaux bismuth, antimoine et leurs alliages par fusion de zone.

Etude de l'influence de l'interaction des excitations élémentaires des systèmes électroniques et ioniques d'un cristal sur la valeur du rendement thermoélectrique du matériau.

Détermination des facteurs influençant les caractéristiques du système électronique du cristal, contribuant à la coordination des flux d'énergie thermique et électrique.

Conclusion

L'effet Seebeck, comme d'autres phénomènes thermoélectriques, est de nature phénoménologique.

Étant donné que les circuits et appareils électriques contiennent toujours des jonctions et des contacts de divers conducteurs, lorsque la température fluctue aux points de contact, une puissance thermique apparaît, qui doit être prise en compte lors de mesures précises.

D'autre part, la puissance thermique trouve de nombreuses applications pratiques. L'effet Seebeck dans les métaux est utilisé dans les thermocouples pour mesurer les températures. Quant aux générateurs thermoélectriques, dans lesquels l'énergie thermique est directement convertie en énergie électrique, ils utilisent des thermoéléments semi-conducteurs qui ont une puissance thermique beaucoup plus élevée.

Liste de la littérature utilisée

1. Zisman G.A. Cours de physique générale. - M. : Nauka, 1972, 366 pp., ill.

2. Trofimova T.I. Cours de physique. - M. : Ecole Supérieure, 1990. - 480 pp., ill.

I.V. Savelyev Cours de physique générale, tome II. Électricité et magnétisme. Vagues. Optique : Manuel. - 2e édition, révisée (M., Nauka, rédaction principale de littérature physique et mathématique, 1982) pp. 233-235.