În 1820, G. Oersted a raportat că acul magnetic deviază în apropierea unui fir care transportă curent electric. În 1821, T. Seebeck a remarcat că acul se deviază și atunci când două joncțiuni ale unui circuit electric închis, compus din două materiale conductoare diferite, sunt menținute la temperaturi diferite. Seebeck a crezut inițial că acesta este un efect pur magnetic. Dar mai târziu a devenit clar că diferența de temperatură provoacă apariția unui curent electric în circuit (Fig. 1). O caracteristică importantă a proprietăților termoelectrice ale materialelor care alcătuiesc circuitul este tensiunea la capetele circuitului deschis (adică atunci când una dintre îmbinări este deconectată electric), deoarece într-un circuit închis curentul și tensiunea depind de rezistivitatea electrică a firelor. Aceasta este tensiunea circuitului deschis V AB(T 1 , T 2), în funcție de temperaturi T 1 și T 2 joncțiuni (Fig. 2), se numește forță electromotoare termoelectrică (termo-EMF). Seebeck a pus bazele lucrărilor ulterioare în domeniul termoelectricității prin măsurarea termo-emf a unei game largi de metale solide și lichide, aliaje, minerale și chiar și a unui număr de substanțe numite acum semiconductori.

Efect Peltier electrotermic.

În 1834, ceasornicarul francez J. Peltier a observat că atunci când curentul trece printr-o joncțiune de doi conductori diferiți, temperatura joncțiunii se modifică. La fel ca Seebeck, Peltier nu a văzut la început un efect electrotermic în asta. Dar în 1838 E.H. Lenz, membru al Academiei de Științe din Sankt Petersburg, a arătat că, cu un curent suficient de mare, o picătură de apă aplicată pe o joncțiune poate fi fie înghețată, fie adusă la fierbere prin schimbarea direcției curentului. Când curentul curge într-o direcție, joncțiunea se încălzește, iar când curentul curge în sens opus, se răcește. Acesta este efectul Peltier (Fig. 3), opusul efectului Seebeck.

Efectul electrotermic Thomson.

În 1854, W. Thomson (Kelvin) a descoperit că, dacă un conductor metalic este încălzit într-un punct și un curent electric este trecut simultan prin el, atunci apare o diferență de temperatură la capetele conductorului echidistante de punctul de încălzire (Fig. 4). ). La capătul în care curentul este direcționat spre punctul de încălzire, temperatura scade, iar la celălalt capăt, unde curentul este îndreptat departe de punctul de încălzire, temperatura crește. Coeficientul Thomson este singurul coeficient termoelectric care poate fi măsurat pe un conductor omogen. Thomson a arătat mai târziu că toate cele trei fenomene ale termoelectricității sunt legate între ele prin relațiile Kelvin deja menționate mai sus.

Termocuplu.

Dacă materialele lanțului fig. 2 sunt omogene, atunci termo-EMF depinde doar de materialele selectate și de temperaturile de joncțiune. Această poziție stabilită experimental, numită legea lui Magnus, stă la baza folosirii așa-numitului. dispozitive de termocupluri pentru măsurarea temperaturii, care este de mare importanță practică. Dacă sunt cunoscute proprietățile termoelectrice ale unei perechi date de conductori și una dintre joncțiuni (să zicem, cu o temperatură T 1 din fig. 2) se menține la o temperatură cunoscută cu precizie (de exemplu, 0° C, punctul de îngheț al apei), atunci termo-emf este proporțională cu temperatura T alte 2 noduri. Termocuplurile din platină și aliaj platină-rodiu măsoară temperaturi de la 0 la 1700 ° C, din cupru și aliaj multicomponent constantan de la - 160 la +380 ° C și din aur (cu adaosuri foarte mici de fier) ​​și cromel multicomponent la valori numai fracții de grad peste zero absolut (0 K, sau - 273,16 ° C).

Termo-emf al unui termocuplu metalic cu o diferență de temperatură la capete egală cu 100 ° C este de aproximativ 1 mV. Pentru a crește sensibilitatea transmițătorului de temperatură, mai multe termocupluri pot fi conectate în serie (Fig. 5). Rezultatul este o termopilă în care un capăt al tuturor termocuplurilor este la o temperatură T 1 iar celălalt la temperatură T 2. Termo-EMF al bateriei este egal cu suma termo-EMF a termocuplurilor individuale.

Deoarece termocuplurile și joncțiunile lor pot fi făcute mici și convenabile de utilizat într-o mare varietate de condiții, acestea sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de măsurare, înregistrare și reglare a temperaturii.

Proprietățile termoelectrice ale metalelor.

Efectul Seebeck este de obicei mai ușor de măsurat în mod fiabil decât alte efecte termoelectrice. Prin urmare, este de obicei folosit pentru a măsura coeficienții termoelectrici ai materialelor necunoscute. Deoarece termo-EMF este determinată de proprietățile ambelor ramuri ale termocuplului, o ramură trebuie să fie făcută dintr-un material „suport” pentru care se cunoaște termo-EMF „specific” (termo-EMF pe un grad de diferență de temperatură). Dacă o ramură a termocuplului este într-o stare supraconductivă, atunci termo-EMF specifică este zero și termo-EMF a termocuplului este determinată de valoarea termo-EMF specifică a celeilalte ramuri. Astfel, un supraconductor este un material de „referință” ideal pentru măsurarea termo-EMF specifică a materialelor necunoscute. Până în 1986, cea mai ridicată temperatură la care un metal putea fi menținut în stare supraconductivă a fost de numai 10 K (-263 ° C). În prezent, supraconductorii pot fi utilizați până la aproximativ 100 K (- 173 ° C). La temperaturi mai ridicate este necesar să se efectueze măsurători cu materiale de referință nesuperconductoare. Până la temperatura camerei și temperaturi ceva mai ridicate, materialul suport este de obicei plumb, iar la temperaturi și mai mari, aur și platină. Cm. De asemenea SUPERCONDUCTIVITATE.

Efectul Seebeck în metale are două componente: una dintre ele este asociată cu difuzia electronilor, iar cealaltă se datorează tragerii lor de fonon. Difuzia electronilor este cauzată de faptul că, atunci când un conductor metalic este încălzit de la un capăt, există mulți electroni cu energie cinetică mare la acest capăt și puțini la celălalt. Electronii de înaltă energie difuzează spre capătul rece până când difuzia ulterioară este împiedicată prin respingerea încărcăturii negative în exces a electronilor acumulați acolo. Această acumulare de sarcină determină componenta termo-emf asociată cu difuzia electronilor.

Componenta asociată cu frecarea fononului apare deoarece atunci când un capăt al conductorului este încălzit, energia vibrațiilor termice ale atomilor de la acel capăt crește. Vibrațiile se propagă spre capătul mai rece, iar în această mișcare atomii, ciocnind cu electronii, le transferă o parte din energia lor crescută și îi poartă în direcția de propagare a fononilor - vibrații ale rețelei cristaline. Acumularea corespunzătoare de sarcină determină a doua componentă a termo-emf.

Ambele procese (difuzia electronilor și antrenarea fononilor) conduc de obicei la acumularea de electroni la capătul rece al conductorului. În acest caz, termo-emf specific este considerat negativ prin definiție. Dar, în unele cazuri, datorită distribuției complexe a numărului de electroni cu energii diferite într-un metal dat și datorită modelelor complexe de împrăștiere a electronilor și a atomilor care vibrează în ciocniri cu alți electroni și atomi, electronii se acumulează la capătul încălzit, iar termo-EMF specific se dovedește a fi pozitiv. Cele mai mari termo-EMF sunt caracteristice termocuplurilor compuse din metale cu termo-EMF specifice de semn opus. În acest caz, electronii din ambele metale se mișcă în aceeași direcție.

Proprietățile termoelectrice ale semiconductorilor.

În anii 1920-1930, oamenii de știință au descoperit o serie de materiale cu conductivitate scăzută, numite acum semiconductori, ale căror EMF termice specifice sunt de mii de ori mai mari decât cele ale metalelor. Prin urmare, semiconductorii sunt mai potriviti decât metalele pentru fabricarea termopilelor, care necesită termo-EMF mari sau încălzire sau răcire termoelectrică intensă. Ca și în cazul metalelor, termo-emf-ul semiconductorilor are două componente (asociate cu difuzia electronilor și cu dragul lor de fonon) și poate fi negativă sau pozitivă. Cele mai bune termopilele sunt obținute din semiconductori cu termo-EMF de semn opus.

Dispozitive termoelectrice.

Dacă creați un contact termic bun al unui grup de joncțiuni termopil cu o sursă de căldură, de exemplu, o cantitate mică de substanță radioactivă, atunci tensiunea va fi generată la ieșirea termopilului. Eficiența conversiei energiei termice în energie electrică în astfel de generatoare termoelectrice ajunge la 1617% (la centralele cu turbine cu abur randamentul termic este de 2040%). Generatoarele termoelectrice sunt folosite în locații îndepărtate de pe Pământ (de exemplu, în Arctica) și pe stațiile interplanetare, unde sursa de energie necesită o durabilitate mai mare, dimensiuni reduse, absența pieselor mecanice în mișcare și sensibilitate redusă la condițiile de mediu.

De asemenea, puteți conecta o sursă de curent la bornele termopilului și puteți trece curent prin termoelementele sale. Un grup de joncțiuni de termopil se va încălzi, iar celălalt se va răci. Astfel, termopilul poate fi folosit fie ca încălzitor termoelectric (de exemplu, pentru biberoane pentru alimente pentru copii), fie ca frigider termoelectric. Vezi si ECHIPAMENTE FRIGORIFICE.

Eficiența termoelementelor pentru generatoarele termoelectrice este evaluată printr-un indicator de calitate comparativ

Z = (S 2 s T)/ k,

Unde T temperatura, S termo-EMF specific, k conductivitate termică și s conductivitate electrică specifică. Cu atât mai mult S, cu atât termo-EMF este mai mare la o anumită diferență de temperatură. Cu atât mai mult s, cu atât curentul din circuit poate fi mai mare. Mai putin k, cu atât este mai ușor să se mențină diferența de temperatură necesară la joncțiunile termopilului.

Descriere

Efectul Seebeck este că într-un circuit închis format din conductori diferiți, apare un termo-EMF dacă punctele de contact sunt menținute la temperaturi diferite. Un circuit care constă numai din doi conductori diferiți se numește termopilă sau termocuplu.

Mărimea termoputerii rezultate, într-o primă aproximare, depinde doar de materialul conductorilor și de temperaturile contactelor calde () și reci ().

Într-un interval mic de temperatură, termoputerea poate fi considerată proporțională cu diferența de temperatură:

În cel mai simplu caz, coeficientul de termoputere este determinat numai de materialele conductorilor, totuși, strict vorbind, depinde și de temperatură, iar în unele cazuri se schimbă semnul cu o schimbare a temperaturii.

O expresie mai corectă pentru termoputere:

Valoarea termoputerii este de milivolți la o diferență de temperatură de 100 K și o temperatură de joncțiune rece de 0 °C (de exemplu, o pereche de cupru-constantan dă 4,25 mV, platină-platină-rodiu - 0,643 mV, nichel-nichel - 4,1 mV) .

Explicația efectului

Efectul Seebeck este cauzat de mai multe componente.

Dependențe diferite ale energiei medii a electronilor de temperatură în diferite substanțe

Dacă există un gradient de temperatură de-a lungul conductorului, atunci electronii de la capătul fierbinte capătă energii și viteze mai mari decât la capătul rece; în semiconductori, pe lângă aceasta, concentrația electronilor de conducție crește odată cu temperatura. Ca urmare, are loc un flux de electroni de la capătul fierbinte la capătul rece și o sarcină negativă se acumulează la capătul rece, în timp ce o sarcină pozitivă necompensată rămâne la capătul fierbinte. Procesul de acumulare a sarcinii continuă până când diferența de potențial rezultată determină un flux de electroni în sens invers, egal cu cel primar, datorită căruia se stabilește echilibrul.

EMF, a cărei apariție este descrisă de acest mecanism, se numește fem volumetrică.

Dependență diferită de temperatură a diferenței de potențial de contact

Diferența de potențial de contact este cauzată de diferența de energii Fermi a diferiților conductori în contact. Când se creează un contact, potențialele chimice ale electronilor devin identice și apare o diferență de potențial de contact egală cu

Există astfel un câmp electric la contact, localizat într-un strat subțire aproape de contact. Dacă faceți un circuit închis din două metale, atunci apare U la ambele contacte. Câmpul electric va fi direcționat în același mod în ambele contacte - de la F mai mare la mai mic. Aceasta înseamnă că, dacă efectuați o ocolire de-a lungul unei bucle închise, atunci într-un contact ocolirea va avea loc de-a lungul câmpului, iar în celălalt - împotriva câmpului. Circulația vectorială E va fi deci egal cu zero.

Dacă temperatura unuia dintre contacte se modifică cu dT, atunci, deoarece energia Fermi depinde de temperatură, U se va schimba și el. Dar dacă diferența de potențial de contact intern s-a modificat, atunci câmpul electric dintr-unul dintre contacte s-a schimbat și, prin urmare, circulația vectorului E va fi diferit de zero, adică un EMF apare într-un circuit închis.

Acest EMF se numește contact emf.

Dacă ambele contacte ale termoelementului sunt la aceeași temperatură, atunci atât termoputerea de contact, cât și cea de volum dispar.

Antrenarea fononului

Dacă există un gradient de temperatură într-un solid, atunci numărul de fononi care se deplasează de la capătul fierbinte la capătul rece va fi mai mare decât în ​​direcția opusă. Ca urmare a ciocnirilor cu electronii, fononii îi pot antrena pe aceștia din urmă și o sarcină negativă se va acumula la capătul rece al probei (pozitiv la capătul fierbinte) până când diferența de potențial rezultată echilibrează efectul de antrenare.

Această diferență de potențial reprezintă a 3-a componentă a termoputerii, care la temperaturi scăzute poate fi de zeci și sute de ori mai mare decât cele discutate mai sus. În materialele magnetice, se observă o componentă suplimentară a termoputerii, datorită efectului tragerii electronilor de către magnoni.

Folosit pentru a crea senzori de temperatură (de exemplu, în computere). Astfel de senzori sunt miniaturali și foarte precisi.

Legături

Note

Vezi si

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „Efectul Seebeck” în alte dicționare:

- (efect termoelectric), în TERMOELECTRICITATE, formarea unei FORȚE ELECTROMATORII (EMF) într-un circuit format din două metale sau semiconductori diferite conectate într-o buclă, cele două contacte între care sunt menținute la temperaturi diferite.… … Dicționar enciclopedic științific și tehnic

Efect Seebeck- efect termoelectric - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dicționar englez-rus de inginerie electrică și inginerie energetică, Moscova, 1999] Subiecte inginerie electrică, concepte de bază Sinonime efect termoelectric EN... ... Ghidul tehnic al traducătorului

Efect Seebeck- efect Seebeck termoelectric; Efectul Seebeck Apariția unei forțe electromotoare într-un circuit electric constând din conductori diferiți conectați în serie la temperaturi de contact diferite. efect termoelectric; Efect…… Dicționar terminologic explicativ politehnic

Efect Seebeck- termoelektrinis efektas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovės atsiradimas uždaroje grandinėje, sudarytoje iš skirtingų metalų pašildžius jų contact vietą. atitikmenys: engl. efectul seebeck; efect termoelectric rus.… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Efect Seebeck- Seebeck o reiškinys statusas T sritis automatika atitikmenys: engl. efect Seebeck vok. Efect Seebeck, domnule. Efect Seebeck, m pranc. effet Seebeck, m ryšiai: sinonimas – Zėbeko reiškinys … Automatikos terminų žodynas

Efect Seebeck- Zėbeko reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. efect Seebeck vok. Efect Seebeck, domnule. Efect Seebeck, m pranc. efect de Seebeck, m … Fizikos terminų žodynas

Efect Seebeck- Zėbeko efektas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reiškinys, kai uždaroje elektrinėje grandinėje, iš nuosekliai sujungtų dviejų laidininkų, kurių lietimosi vietų temperatūra nevienoda elektros… rovida te… Aiškinamasis šiluminės și branduolinės technikos terminų žodynas

Efect Seebeck- fenomenul de apariţie a forţei electromotoare într-un circuit electric format din diferiţi conductori, contactele între care au temperaturi diferite; descoperit în 1821 de fizicianul german T. Seebeck. Forta electromotoare,... ... Dicţionar enciclopedic de metalurgie

Efect Seebeck- rece. tehnologie. Apariția unei forțe electromotoare din cauza diferenței de temperatură dintre două joncțiuni de metale sau aliaje diferite... Dicționar explicativ practic suplimentar universal de I. Mostitsky

- (efectul Spin Seebeck în engleză) un efect fizic în care un gradient de temperatură de-a lungul unui conductor feromagnetic creează un potențial de curent de spin diferit de zero, în care potențialele electrochimice pentru electroni cu principalele și minoritare ... ... Wikipedia

În 1821, fizicianul T. Seebeck (1770-1831), născut în Estonia și a studiat în Germania, în timp ce studia efectele termice în dispozitivele galvanice, combină elemente semicirculare din bismut și cupru. Dintr-o dată, acul unei busole care s-a întâmplat să se afle în apropiere a deviat (Fig. 3.34A). El a testat acest efect pe alți compuși metalici la temperaturi diferite și a descoperit că de fiecare dată s-a obținut o putere diferită a câmpului magnetic. Cu toate acestea, Seebeck nu și-a dat seama că un curent electric curgea prin elemente, așa că a numit acest fenomen termomagnetism.

Dacă luați un conductor și puneți un capăt al acestuia într-un loc rece și celălalt într-un loc cald, energia termică va fi transferată din partea caldă în partea rece. Intensitatea fluxului de căldură este proporțională cu conductivitatea termică a conductorului. Pe lângă aceasta, gradientul de temperatură duce la apariția unui câmp electric în conductor, datorită efectului Thomson (W. Thompson a descoperit acest efect în jurul anului 1850. El constă în absorbția sau degajarea de căldură liniar proporțională cu trecerea curentului). printr-un conductor omogen având un gradient de temperatură pe lungimea sa.În acest caz, căldura este absorbită dacă curentul și fluxul de căldură sunt direcționate în direcții opuse, și eliberate - când au aceeași direcție). Câmpul electric indus duce la apariția unei diferențe de potențial:

Unde dT- gradient de temperatură pe o lungime mică dx,α a - coeficientul Seebeck absolut material Dacă materialul este omogen, a a nu depinde de lungimea sa, iar ecuația (3.87) ia forma:

Ecuația (3.88) este expresia matematică de bază pentru efectul termoelectric. În fig. Figura 3.34B prezintă un conductor cu o distribuție neuniformă

3.9 Efectele Seebeck și Peltier

prin împărțirea temperaturii Г pe lungimea sa X. Gradientul de temperatură între punctele situate în mod arbitrar determină FEM termică dintre ele. Alte temperaturi (de exemplu, T 3 T 4Și T 5) nu afectează valoarea emf. între punctele 1 şi 2. Pentru a măsura fem. voltmetrul este conectat la conductor, așa cum se arată în Fig. 3.34 B. Acest lucru nu este atât de simplu pe cât ar părea la prima vedere. Pentru a măsura fem termică. trebuie să conectați sondele voltmetrului în consecință. Cu toate acestea, sondele voltmetrului sunt adesea realizate din conductori diferiți de conductorul testat. Să luăm în considerare un circuit simplu pentru măsurarea FEM termică. (Fig. 3.35 A). Într-un astfel de circuit, contorul este conectat în serie cu conductorul. Dacă circuitul este realizat din același material, atunci nu va exista curent în circuit, chiar dacă temperatura este neuniformă pe lungimea sa. Pentru că în acest caz, cele două jumătăți ale circuitului vor crea curenți de mărime egală, dar în direcții opuse, care se vor distruge reciproc. E.m.f termică. apare în orice conductor cu temperatură neuniformă, dar adesea nu poate fi măsurat direct.

compus

Orez. 3.34. A - experimentul lui Seebeck, B - temperatura variabilă de-a lungul conductorului este cauza apariției emf termice

Orez. 3.35. Circuit termoelectric: A - o conexiune de metale identice nu duce la apariția unui curent la nicio diferență de temperatură, B - o conexiune de metale diferite induce un curent A/.

Pentru cercetare termoelectricitate este necesar să existe un circuit compus din jx&yx diferit materiale (sau din aceleași materiale, dar în condiții diferite, de exemplu, unul este în stare tensionată, iar celălalt nu).

Numai atunci este posibil să se determine diferența dintre proprietățile lor termoelectrice. În fig. Figura 3.35B prezintă un circuit format din două metale diferite în care apare o diferență de curent: . Valoarea lui Δi depinde de mulți factori, inclusiv de forma și dimensiunea conductorilor. Dacă în loc de curent măsurăm tensiunea pe un conductor deschis, se va determina diferența de potențial numai tipul de materiale și temperatura acestora și nu va depinde de alți factori. Diferența de potențial indusă de căldură se numește Tensiunea Seebeck.

Ce se întâmplă când doi conductori sunt conectați unul la altul? Electronii liberi dintr-un metal se comportă ca un gaz ideal. Energia cinetică a electronilor este determinată de temperatura materialului. Cu toate acestea, în diferite metale, energia și densitatea electronilor liberi nu sunt aceleași. Când două materiale diferite la aceeași temperatură intră în contact unul cu celălalt, electronii liberi se deplasează prin joncțiune prin difuzie. Potențialul electric al materialului care a acceptat electroni devine mai negativ, iar materialul care a renunțat la electroni devine mai pozitiv. Concentrațiile diferite de electroni de pe cele două părți ale joncțiunii formează un câmp electric care echilibrează procesul de difuzie, rezultând în stabilirea unui echilibru. Dacă circuitul este închis și ambele conexiuni sunt la aceeași temperatură, câmpurile electrice din jurul lor se anulează reciproc, ceea ce nu se întâmplă atunci când conexiunile sunt la temperaturi diferite.

Studiile ulterioare au arătat că efectul Seebeck este de natură electrică. Se poate argumenta că proprietățile termoelectrice ale conductorilor sunt aceleași proprietăți volumetrice ale materialelor ca și conductivitatea electrică și termică, iar coeficientul α a - caracteristicile unice ale materialului. Atunci când combinați două materiale diferite (A și B), este întotdeauna necesar să determinați tensiunea Seebeck. Acest lucru se poate face folosind diferenţial Coeficientul Seebeck:

Atunci tensiunea la conexiune este:

dV AB = α AB UT.(3.90)

Ecuația (3.90) este uneori folosită pentru a determina coeficientul diferențial:

De exemplu, funcția de gradient de tensiune față de temperatură pentru un termocuplu de tip T poate fi aproximată cu un grad rezonabil de precizie folosind ecuația de ordinul doi:

Atunci expresia coeficientului diferenţial Seebeck ia următoarea formă:

3 9 Efecte Seebeck și Peltier eu eu 3

Din ecuație reiese clar că coeficientul este o funcție liniară a temperaturii. Uneori se numește sensibilitate conexiune termocuplu. Compusul de referință, care se găsește de obicei la o temperatură mai rece, se numește somn rece, iar a doua conexiune este Dormim cald. Coeficientul Seebeck nu depinde de natura fizică a conexiunii: metalele pot fi răsucite, sudate, lipite etc. Contează doar temperatura joncțiunilor și proprietățile metalelor. Efectul Seebeck este o conversie directă a energiei termice în energie electrică.

Anexa prezintă valorile coeficienților termoelectrici și ale rezistivităților volumetrice pentru unele tipuri de materiale. Din tabelul corespunzător se poate observa că cea mai bună sensibilitate se obține prin combinarea a două metale cu semne opuse de coeficienți A la valorile lor maxime posibile.

În 1826, A. Becquerel a propus utilizarea efectului Seebeck pentru a măsura
schimbările de temperatură. Cu toate acestea, primul design de termocuplu a fost dezvoltat de Henry
Le Chatelier aproape şaizeci de ani mai târziu. A reușit să descopere asta
fire de legătură din platină și un aliaj de platină și rodiu vă permite să obțineți
stres termic cel mai mare. Le Chatelier a studiat și descris termoelectricul
proprietățile multor combinații de metale. Datele pe care le-a obţinut sunt folosite şi astăzi.
sunt utilizate la efectuarea măsurătorilor de temperatură. Anexa oferă informații despre
valorile de sensibilitate ale unora dintre cele mai multe
tipuri mai comune de termo
abur corespunzător unei temperaturi de 25°C,
iar în fig. 3.36 arată tensiunea Ze
ebeka pentru termocupluri standard în shi
interval de temperatură stâncos. Ca urmare a
De remarcat faptul că termoelectric
sensibilitatea nu este constantă
noi pe întregul interval de temperatură și ter
Moparurile sunt de obicei comparate la 0°C.
Efectul Seebeck este, de asemenea, utilizat în
termoelemente, care, în esență,
reprezintă mai multe postnașteri
termocupluri strâns legate. În pe
termocupluri de timp de repaus des
folosit pentru a detecta căldura
emisii (secțiunea 14.6.2 din capitolul 14).
Primele termoelemente realizate din fire au fost dezvoltate de James
som Joule (1818-1889) pentru a crește tensiunea de ieșire a măsurării
dispozitive.

În prezent, efectul Seebeck este utilizat în senzorii integrati, în care perechile corespunzătoare de materiale sunt depuse pe suprafața substraturilor semiconductoare. Un exemplu de astfel de senzori este un termocuplu pentru detectarea radiației termice. Deoarece siliciul are un coeficient Seebeck destul de mare, este folosit pentru fabricație

Sunt în curs de dezvoltare detectoare termoelectrice foarte sensibile. Efectul Seebeck este asociat cu dependența de temperatură a energiei Fermi E r Prin urmare, coeficientul Seebeck pentru siliciul de tip n poate fi aproximat printr-o funcție a rezistivității electrice în domeniul de temperatură de interes (pentru senzori la temperatura camerei):

unde p 0 ≈5x10 -6 Ohm și t≈2,5 sunt constante La- constanta Boltzmann, a q- incarcare electrica. Cu ajutorul aditivilor de aliere se obtin materiale cu coeficienti Seebeck de ordinul 0,3...0,6 mV/K. Anexa prezintă valorile coeficienților Seebeck pentru unele metale și siliciu. Din tabelul corespunzător se poate observa că coeficienții Seebeck pentru metale sunt mult mai mici decât pentru siliciu și că influența cablurilor de aluminiu asupra microcircuitelor este nesemnificativă datorită valorii mari a coeficientului Seebeck pentru siliciu.

La începutul secolului al XIX-lea, ceasornicarul francez, devenit mai târziu fizician, Jean Charles Athanas Pelletier (1785-1845) a descoperit că atunci când un curent electric trece de la un material la altul, în punctul de conectare, fie căldura este eliberat sau absorbit, care depinde de direcția curentului:

unde i este puterea curentă, a t- timp. Coeficient R are dimensiunea tensiunii și este determinată de proprietățile termoelectrice ale materialului. Trebuie remarcat faptul că cantitatea de căldură nu depinde de temperatura altor compuși.

Efectul Peltier este eliberarea sau absorbția de căldură atunci când un curent electric trece printr-o joncțiune a două metale diferite. Acest fenomen este tipic atât atunci când curentul provine din surse externe, cât și atunci când este indus la joncțiunea termocuplului datorită efectului Seebeck.

Efectul Peltier este utilizat în două situații: atunci când este necesar fie să furnizați căldură la joncțiunea materialelor, fie să o îndepărtați, ceea ce se face prin schimbarea direcției curentului. Această proprietate și-a găsit aplicația în dispozitivele în care este necesar un control precis al temperaturii. Se crede că efectele Peltier și Seebeck sunt de aceeași natură. Cu toate acestea, ar trebui să se înțeleagă bine că căldura

Peltier și Joule sunt diferiți unul de celălalt. Căldura Peltier spre deosebire de căldura Joule liniar depinde de puterea curentului. (Căldura Joule este eliberată atunci când un curent electric de orice direcție trece printr-un conductor având o rezistență finită. Energia termică eliberată în acest caz este proporțională cu pătratul curentului: R= i 2 /R, Unde R- rezistența conductorului). Mărimea și direcția energiei termice Peltier nu depind de natura fizică a conexiunii a două materiale diferite, ci este complet determinată de proprietățile lor termoelectrice în vrac. Efectul Peltier este utilizat pentru a construi răcitoare termoelectrice utilizate pentru a reduce temperatura detectorilor de fotoni care funcționează în domeniul IR îndepărtat al spectrului (Secțiunea 14.5 din Capitolul 14), precum și pentru higrometre cu oglindă răcite (Secțiunea 13.6 din Capitolul 13).

Trebuie amintit că în orice punct al circuitului în care sunt conectate două sau mai multe metale diferite cu temperaturi diferite, apare întotdeauna un curent termoelectric. Această diferență de temperatură este întotdeauna însoțită de fenomenul de conductivitate termică Fourier, iar atunci când trece un curent electric, căldura Joule este eliberată. În același timp, fluxul de curent electric este întotdeauna asociat cu efectul Peltier: degajarea sau absorbția de căldură la joncțiunea diferitelor metale, în timp ce diferența de temperatură provoacă și efectul Thompson: încălzirea sau răcirea conductorilor pe lungimea lor. Aceste două efecte termice (Thompson și Peltier) sunt exprimate ca patru componente în expresia pentru fem. Seebeck:

Unde σ+- - o cantitate numită coeficientul Thompson, pe care Thomson însuși a numit-o capacitatea termică specifică a electricității, făcând o analogie între Ași căldura specifică obișnuită c, acceptată în termodinamică. Magnitudinea O arată viteza cu care căldura este eliberată sau eliberată pe unitatea de diferență de temperatură și pe unitatea de masă.

Unde sonore

Undele sonore sunt compresia și expansiunea periodică a unui mediu (solide, lichide și gaze) care apar la o anumită frecvență. Componentele mediului realizează mișcări oscilatorii în direcția de propagare a undelor, prin urmare astfel de unde se numesc unde mecanice longitudinale. Nume sunet este asociat cu intervalul de percepție al auzului uman, care este aproximativ intervalul 20...20000 Hz. Se numesc unde mecanice longitudinale sub 20 Hz infrasunete,și peste 20 kHz - cu ultrasunete. Dacă clasificarea undelor ar fi efectuată în raport cu alte animale, de exemplu, câinii, gama undelor sonore ar fi mult mai largă.

Detectarea undelor infrasunete este utilizată în studiul structurilor clădirilor, predicția cutremurelor și studiul altor obiecte de dimensiuni geometrice mari. Oamenii simt unde infrasunete de mare amplitudine, chiar dacă nu le aud, și au aspectul de

Capitolul 3. Principiile fizice ale senzorilor

Apar fenomene psihologice precum panica, frica etc. Exemple de unde din gama sonoră sunt vibrațiile corzilor (instrumente muzicale cu coarde), vibrațiile unei coloane de aer (instrumente muzicale de vânt) și sunetul plăcilor (unele instrumente de percuție, corzi vocale, difuzoare). Oricare ar fi natura originii sunetelor, apare întotdeauna compresia alternativă și rarefacția aerului, în timp ce undele se propagă în toate direcțiile. Spectrul undelor sonore poate fi foarte diferit: de la simple sunete monofonice ale unui metronom și țeavă de orgă până la melodiile bogate ale unei viori. Zgomotul, de regulă, are un spectru foarte larg. Poate avea o distribuție uniformă a densității sau poate fi prezent doar la anumite frecvențe armonice.

În stadiul de comprimare a mediului, volumul acestuia se modifică de la V la V-ΔV. Raportul de schimbare a presiunii Δр la modificarea relativă a volumului se numește modulul volumului de elasticitate al mediului:

unde p 0 este densitatea în afara zonei de compresie și v este viteza sunetului în mediu. De aici viteza sunetului este determinată după cum urmează:

Prin urmare, viteza sunetului depinde de elasticitate (ÎN)şi proprietăţile inerţiale ale mediului (p 0). Deoarece ambele variabile sunt funcții de temperatură, viteza sunetului depinde și de temperatură. Această proprietate stă la baza termometrelor acustice (Secțiunea 16.5 din Capitolul 16). Pentru solide, viteza longitudinală poate fi determinată în termeni de modulul Young Eși raportul lui Poisson W:

Anexa arată viteza de propagare a undelor longitudinale în unele medii. Trebuie remarcat faptul că viteza sunetului depinde de temperatură, care trebuie întotdeauna luată în considerare la proiectarea unor senzori specifici.

Luați în considerare propagarea unei unde sonore într-o țeavă de orgă, unde fiecare element volumetric mic de aer vibrează în jurul unei stări de echilibru. Pentru o armonică pură, deplasarea unui volum elementar în raport cu starea de echilibru poate fi descrisă prin următoarea expresie:

Unde X- poziția de echilibru, la- deplasarea din pozitia de echilibru, u t - amplitudine, iar λ este lungimea de undă. În practică, este mai convenabil să se ia în considerare schimbarea presiunii într-o undă sonoră:

3 10 Unde sonore

Unde k=2π/λ- ordinea valurilor, ω - frecvența unghiulară, iar termenii din prima paranteză corespund amplitudinii r t presiunea sonoră Trebuie remarcat faptul că sin și cos în ecuațiile (3 100) și (3 101) indică faptul că fazele undelor de deplasare și presiune diferă cu 90°

Presiunea în orice punct dat al mediului nu este constantă Diferența dintre valorile presiunii instantanee și medii se numește presiunea acustica PÎn timpul propagării undei, particulele de aer vibratoare oscilează în jurul poziției de echilibru cu o viteză instantanee ξ. Raportul dintre presiunea acustică și viteza instantanee (a nu se confunda cu viteza undei 1) se numește impedanță acustică

care este o mărime complexă caracterizată prin amplitudine și fază Pentru un mediu ideal (în care nu există pierderi), Z- un număr real legat de viteza undei prin relație

Intensitatea unei unde sonore este definită ca puterea transmisă printr-o unitate de suprafață și poate fi exprimată și prin mărimea impedanței acustice.

Cu toate acestea, în practică, sunetul este cel mai adesea caracterizat nu prin intensitate, ci prin parametru β, numit nivel sonor, determinat relativ la intensitatea standard I 0 = 10 12 W/m 2

Această valoare a lui I 0 a fost aleasă deoarece corespunde ventilatorului inferior al auzului urechii umane.Unitate de măsură R este decibelul (dB), numit după Alexander Bell Când I=I 0 , β=0

Nivelurile de presiune pot fi exprimate și în decibeli

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

Tabelul 3 3 prezintă nivelurile unor sunete Deoarece urechea umană răspunde diferit la sunete de diferite frecvențe, nivelurile de sunet sunt de obicei date pentru intensitatea I 0 corespunzătoare unei frecvențe de 1 kHz, unde sensibilitatea auditivă este maximă.

Tabelul 3.3. Nivelurile de sunet β la I 0 corespunzând la 1000 Hz

În fizică și inginerie electrică există conceptul de efect termoelectric, cunoscut și sub denumirea de efect Seebeck. Acest fenomen este formarea unei forțe electromotoare în interiorul unui circuit închis electric conductor format din conductori diferiți. Sunt realizate din materiale termoelectrice și conectate în serie între ele. Condiția principală pentru apariția efectului este diferența de temperatură formată la joncțiuni. Există un proces invers efectului termoelectric numit.

Dispozitive termoelectrice și aplicații ale efectului Seebeck

Materialele termoelectrice sunt cel mai adesea aliaje ale căror proprietăți sunt similare semiconductorilor. Această categorie include și unii compuși chimici cu parametri specifici care îi fac potriviți pentru utilizare în dispozitive termoelectrice.

Există trei aplicații principale ale efectului Seebeck în diferite modele și dispozitive:

• Generatoare termoelectrice.
• Frigidere termoelectrice.
• Contori de temperatură într-o gamă largă: de la zero absolut la câteva mii de grade Kelvin.

O mică diferență de temperatură între joncțiuni, după cum au arătat experimentele, duce la apariția unei forțe termoelectromotoare, care este proporțională cu diferența de temperatură a elementelor incluse în circuit. Conductoarele omogene de lucru sunt disponibile în orice diade. La rândul său, în el apare o forță termoelectromotoare, care este determinată de proprietățile conductorilor și de diferența de temperatură. În acest caz, distribuția temperaturii între contacte nu joacă niciun rol decisiv. Acesta este efectul Seebeck termoelectric.

Dacă circuitul este format din doar doi conductori diferiți, atunci această combinație va fi numită termocuplu. Nivelul termo-EMF în acest caz depinde de materialele conductorilor și de diferența de temperatură dintre contacte. În cele mai multe cazuri, un termocuplu este utilizat pentru a determina valorile temperaturii. Măsurătorile de până la 1400 de grade Kelvin pot fi făcute cu contoare care conțin elemente neprețioase. La temperaturi de 1900 de grade și peste, vor fi necesare metale din grupa platinei. Pentru contoare speciale de temperatură foarte ridicată se folosesc aliaje speciale rezistente la căldură.

Conversia energiei termice în energie electrică se realizează cu ajutorul generatoarelor termoelectrice. Procesul de operare de bază al acestor dispozitive este, de asemenea, legat de efectul Seebeck. Datorită acestui fapt, chiar și energia termică reziduală eliberată de motoarele mașinilor poate fi convertită. Electricitatea obținută în acest mod este utilizată în scopul propus pentru a alimenta diverse dispozitive.

Avantajele unor astfel de generatoare sunt durata de viață lungă și capacitatea de a le stoca într-o stare nefuncțională fără nicio restricție. Sunt fiabile și stabile în funcționare, eliminând complet riscul scurtcircuitelor. Funcționarea acestor dispozitive este absolut silențioasă, deoarece designul lor nu conține elemente în mișcare.

Aceste dispozitive nu au fost utilizate pe scară largă doar din cauza coeficientului scăzut de eficiență de 3-8%. Cu toate acestea, în absența liniilor electrice convenționale și a sarcinii scăzute așteptate, utilizarea unor astfel de generatoare va fi complet justificată. Ca urmare, efectul Seebeck și-a găsit aplicație în domeniul furnizării de energie pentru tehnologia spațială, în convertoare de energie solară, sisteme de încălzire și multe alte domenii în care utilizarea surselor tradiționale de energie electrică nu este posibilă.

Efectul Seebeck și Peltier

Esența efectului Seebeck este formarea unei forțe electromotoare într-un circuit electric, care include conductorii A și B, ale căror contacte au temperaturi diferite T 1 și T 2. Aceste proprietăți permit conversia directă a energiei termice în energie electrică.

Ca urmare, efectul Seebeck a fost utilizat pe scară largă în diverse domenii, a cărui formulă determină termo-EMF al circuitului: unde valorile S A și S B sunt forțele termo-electromotoare absolute ale conductoarelor A și B. Termo-EMF absolută se referă la una dintre caracteristicile conductorului și este S=du/ dT, unde u este forța electromotoare care apare în conductor atunci când există o diferență de temperatură în acesta. Astfel, baza teoretică a efectului Seebeck este strâns legată de schimbările de temperatură.

Elementul Peltier este exact opusul dispozitivelor bazate pe efectul Seebeck. În acest caz, dimpotrivă, sub influența curentului electric se formează o diferență de temperatură la locurile de lucru ale structurii. Astfel, cu ajutorul curentului electric, căldura este transferată de la un termocuplu la altul. Când direcția curentului se schimbă, partea încălzită va lua starea opusă.

Acest efect apare la doi conductori diferiți cu aceeași conductivitate. În fiecare dintre ele, electronii au o valoare energetică diferită și se află la o distanță foarte apropiată unul de celălalt. Ca urmare, sarcinile vor fi transferate de la un mediu la altul, iar electronii cu energie mai mare pe fondul unor niveluri scăzute vor renunța la excesul rețelei cristaline, provocând încălzire. Dacă există o lipsă de energie, dimpotrivă, aceasta este transferată din rețeaua cristalină, ducând la răcirea joncțiunii.

În cazul diferitelor tipuri de conductivitate, semiconductori prezenți în termocuplu, efectul Peltier va arăta ușor diferit. Când un electron intră într-un material p, acesta ia locul unei găuri la nivelul energiei. Ca urmare, pierde energia cinetică a mișcării și are loc o schimbare de stare. Energia eliberată favorizează formarea de purtători liberi pe ambele părți ale joncțiunii pn, iar partea rămasă merge către rețeaua cristalină, care provoacă încălzire. Dacă în momentul inițial valoarea energiei este mai mică, atunci joncțiunea va începe să se răcească.

Introducere

1. Descoperitor al fenomenului termoelectricității

2. Informații generale despre apariția forței electromotoare

3. Conceptul efectului termoelectric Seebeck

4. Aplicarea efectului Seebeck

Concluzie

Lista literaturii folosite

Introducere

Poate că noi zăcăminte de petrol și cărbune ne așteaptă în zone atât de puțin explorate precum Australia, Sahara sau Antarctica. În plus, sunt dezvoltate și stăpânite intens noile tehnologii pentru extragerea cărbunelui din bucăți subțiri și adânci, precum și a petrolului din zăcămintele offshore.

Nu există nicio îndoială că vor fi dezvoltate modalități fundamental noi și mai eficiente de utilizare a combustibililor fosili. Procesul tradițional în mai multe etape de ardere a combustibilului pentru a produce vapori de apă, care este trimis să rotească o turbină generatoare pentru a produce electricitate, implică pierderi uriașe de energie. Cele mai multe dintre aceste pierderi pot fi evitate învățând cum să convertiți căldura direct în energie electrică. Posibilitatea unui astfel de proces a fost descoperită pentru prima dată de fizicianul german T. Seebeck în 1823. După ce a conectat strâns firele a două metale diferite într-un circuit închis și a încălzit joncțiunea, a observat cum a tremurat acul unei busole din apropiere. Aceasta însemna că, sub influența căldurii, în circuit a apărut un curent electric (termoelectricitate). Cu toate acestea, autorul însuși a interpretat greșit rezultatele propriei experiențe, iar descoperirea sa a fost uitată multă vreme.

Cu toate acestea, odată cu apariția materialelor și tehnologiilor semiconductoare, efectul Seebeck uitat a atras din nou atenția oamenilor de știință. Ca urmare, au fost dezvoltate dispozitive termoelectrice bazate pe materiale semiconductoare. Când un capăt al unui semiconductor este încălzit, în el apare un potențial electric: într-un semiconductor de tip p, o sarcină negativă apare la capătul rece, iar o sarcină pozitivă apare în electrodul n. Dacă acești doi electrozi sunt conectați într-o structură în formă de U cu o joncțiune n-p în partea de jos, atunci încălzirea acestei joncțiuni va determina acumularea unei sarcini negative la capătul superior al electrodului p și o sarcină pozitivă la capătul superior al electrodul n.

Ca urmare, un curent electric va curge între ele, iar acest proces va continua atâta timp cât se va menține diferența de temperatură. (Dimpotrivă, trecerea curentului electric printr-un termocuplu face ca căldura să fie absorbită și temperatura să scadă, astfel încât poate fi folosit ca dispozitiv de refrigerare.)

Elementul termoelectric - foarte compact, care nu necesită nici un generator scump și nici un motor cu abur voluminos - poate fi instalat cu ușurință aproape oriunde și folosit ca sursă convenabilă de energie. Tot ce are nevoie este un încălzitor extern, cum ar fi un arzător cu kerosen.

efectul de curent Seebeck termoelectric

1. Descoperitor al fenomenului termoelectricității

Seeebek Thomas Johann (9.IV.1770 - 10.XII.1831) - fizician german, membru al Academiei de Științe din Berlin (1814) R. în Reval (azi Tallinn). A studiat la universitățile din Berlin și Gottingen, în aceasta din urmă a obținut doctoratul în 1802. A lucrat la Jena, în anii 20 la Berlin.

Lucrările sunt dedicate electricității, magnetismului, opticii. În 1821 a descoperit fenomenul termoelectricității (în perechea cupru-bismut), a construit un termocuplu și l-a folosit pentru a măsura temperatura. Primii au folosit pilitura de fier pentru a determina forma liniilor de câmp magnetic. El a studiat efectul magnetic al curentului, polarizarea cromatică și distribuția căldurii în spectrul prismatic. A descoperit proprietățile polarizante ale turmalinei (1813). Raze infraroșii redescoperite, polarizare circulară, magnetizare a fierului și a oțelului în apropierea unui conductor de curent.

În 1821, savantul berlinez membru al Academiei de Științe din Berlin Seebeck (1770-1831) a decis să reproducă experimentul lui Oersted privind efectul curentului electric continuu asupra unui ac magnetic. Dar sursa de curent nu a fost o baterie galvanică, ci un contact uscat a două metale fără niciun electrolit. Seebeck a descoperit că acul magnetic a reacționat doar în momentul în care experimentatorul a atins punctul de contact cu mâinile. Mai mult, nu conta dacă mâinile erau uscate sau umede. Nu a existat niciun efect chiar și atunci când contactul a fost strâns cu mâinile prin hârtie umedă. Dar când a fost comprimat prin sticlă sau metal, acul a deviat. După ce a efectuat numeroase experimente, Seebeck s-a convins că esența fenomenului se afla în căldura mâinilor cu care a fost strâns acest contact. Prin urmare, acest efect a fost numit termomagnetic.

Aceste experimente au fost în curând confirmate de Oersted și Fourier. S-a dovedit că elementul Seebeck nu numai că creează un câmp magnetic, dar este și capabil să descompună compușii chimici. În acest fel este asemănată cu o sursă de curent chimic. Prin urmare, acest fenomen a fost numit termoelectricitate.

Dar însuși descoperitorul acestui fenomen nu a fost de acord cu această interpretare. El însuși a studiat teoria magnetismului terestru și a explicat acest fenomen prin diferența de temperatură dintre ecuator și polii pământului. În aceste experimente, omul de știință a văzut confirmarea punctului său de vedere. El credea că curenții care apar ca urmare a efectului descoperit de el au fost cei care au generat câmpul magnetic.

Trebuie să-i aducem un omagiu profesorului din Berlin. El însuși, după ce a efectuat multe experimente, a acumulat o mulțime de material de nerefuzat, ceea ce nu numai că l-a forțat să-și abandoneze ipoteza, ci a oferit științei o mulțime de date fundamentale noi.

Efectul Seebeck - tranziția energiei electrice în energie termică și invers - și-a găsit o aplicare largă în tehnologie. Convertizoarele termice - termocuplurile - funcționează pe baza acesteia.

Majoritatea tuturor măsurătorilor de temperatură sunt realizate de convertoare termoelectrice, al căror principiu de funcționare se bazează pe fenomenul Seebeck.

În 1821, un om de știință german, originar din Revel (acum Tallinn), T.Y. Seebeck (1770-1831) a descoperit că, dacă joncțiunile a două metale diferite care formează un circuit electric închis nu sunt la aceeași temperatură, atunci un curent electric curge în circuit. O modificare a semnului diferenței de temperatură a joncțiunii este însoțită de o schimbare a direcției curentului.

Acest fapt a servit drept bază pentru crearea unui dispozitiv al cărui element sensibil este un termocuplu - doi conductori din materiale diferite conectate între ele la un capăt (de lucru), celelalte două capete (libere) ale conductorilor sunt conectate la un circuit de măsurare sau direct la un dispozitiv de măsurare, iar temperatura liberului este în cele din urmă cunoscută în avans. Un termocuplu formează un dispozitiv (sau o parte a acestuia) care utilizează efectul termoelectric pentru a măsura temperatura. Efectul termoelectric se referă la generarea de forță termoelectromotoare (termoEMF) care apare din cauza diferenței de temperatură dintre doi compuși din metale și aliaje diferite (Fig. 1), care fac parte din același circuit.

Termoemf-ul unui termocuplu este cauzat de trei motive. Prima este dependența nivelului Fermi de energie electronică într-un conductor de temperatură, ceea ce duce la salturi inegale de potențial în timpul tranziției de la un metal la altul la joncțiunile termocuplului situate la temperaturi diferite. În al doilea rând, în prezența unui gradient de temperatură, electronii din regiunea capătului fierbinte al conductorului dobândesc energii și mobilitate mai mari. De-a lungul conductorului va apărea un gradient de concentrație de electroni cu valori crescute de energie, ceea ce va atrage după sine difuzarea electronilor mai rapid la capătul rece și a celor mai lenți la capătul fierbinte. Dar fluxul de difuzie al electronilor rapizi va fi mai mare. În plus, în prezența unui gradient de temperatură de-a lungul conductorului, are loc o deriva de fotoni - cuante de energie de vibrație a rețelei cristaline. Ciocnind cu electronii, fotonii le transmit mișcare direcțională de la capătul mai fierbinte al conductorului la cel mai rece. Ultimele două procese duc la un exces de electroni în apropierea capătului rece și la o lipsă a acestora lângă capătul fierbinte. Ca urmare, în interiorul conductorului apare un câmp electric, îndreptat spre gradientul de temperatură. Astfel, EMF termică a unui termocuplu apare numai datorită prezenței unui gradient de temperatură longitudinal în conductoarele care formează perechea.

2. Informații generale despre apariția forței electromotoare

În metalele semiconductoare, procesele de transfer de sarcină (curent electric) și energie sunt interconectate, deoarece acestea sunt efectuate prin mișcarea purtătorilor de curent mobili - electroni de conducere și găuri. Această relație dă naștere la o serie de fenomene (Seebeck, Peltier și Thomson), care sunt numite fenomene termoelectrice.

Efectul Seebeck este că într-un circuit electric închis de metale diferite apare energia termoelectrică. d.s. dacă punctele de contact sunt menţinute la temperaturi diferite. Acest EMF depinde doar de temperatură și de natura materialelor care alcătuiesc termoelementul. Termo e. d.s. pentru perechile de metal poate ajunge la 50 µV/grad; în cazul materialelor semiconductoare, valoarea puterii termoelectrice este mai mare (10 în al 2-lea + 10 în al 3-lea μV/grad).

O metodă electrotermală de detectare a defectelor, care constă în încălzirea zonei controlate prin trecerea unui curent electric constant prin ea pentru un anumit timp, măsurarea temperaturii de încălzire a acesteia cu ajutorul unui senzor-termocuplu și evaluarea prezenței unui defect prin abaterea această temperatură de la temperatura de încălzire a zonei fără defecte a conexiunii de sudură, caracterizată prin aceea că, pentru a controla zona îmbinării sudate a două metale diferite, de exemplu, unități de contact ale componentelor radio, un termocuplu format din metalele îmbinate este folosit ca termocuplu-senzor.

Pentru a verifica calitatea sudurii, se măsoară distribuția potențialului termoelectric de-a lungul cusăturii. Vârfurile și văile din curbele de distribuție indică eterogenitatea cusăturii, iar mărimea lor indică gradul de eterogenitate. Rapid și clar.

Dacă orice număr de conductori de orice compoziție sunt conectați în serie la golul uneia dintre ramurile termoelementului, toate joncțiunile (contactele) ale cărora sunt menținute la aceeași temperatură, atunci termoe. d.s. într-un astfel de sistem va fi egală cu termoputerea elementului original.

Un termocuplu care conține un capac de protecție, termoelectrozi cu izolație electrică, ale căror capete de lucru sunt echipate cu un jumper conductiv care formează o joncțiune de măsurare, caracterizat prin aceea că, pentru a crește durata de viață a termocuplului în condiții de vibrații crescute și rate ridicate de încălzire , joncțiunea de măsurare a termocuplului este realizată sub forma unui strat de metal pulbere situat în partea de jos a capacului de protecție.

La măsurarea stării fizice a substanțelor implicate în contact, se modifică și valoarea termoe. d.s.

O metodă de recunoaștere a sistemelor cu solubilitate reciprocă limitată și nelimitată a componentelor bazată pe dependența de temperatură a puterii termoelectrice. d.s., caracterizată prin aceea că, pentru a crește fiabilitatea recunoașterii, se măsoară termoe. d.s. contactul a două probe aflate în studiu Între un metal comprimat prin presiune uniformă și același metal sub presiune normală apare și energia termoelectrică. d.s.

De exemplu, pentru fierul la o temperatură de 100 de grade C și o presiune de 12 kbar, termoputerea este de 12,8 μV. Când un metal sau un aliaj este saturat într-un câmp magnetic în raport cu aceeași substanță fără un câmp magnetic, apare o putere termică de ordinul a 09 μV/grad.

3. Conceptul efectului termoelectric Seebeck

Dacă trecerea curentului într-un circuit închis determină încălzirea unora și răcirea altor joncțiuni, atunci încălzirea unora și răcirea altor contacte duce la apariția curentului în circuit (efectul Seebeck sau efectul termoelectric) în absența unui sursă externă.

Fie temperatura T0 în toate punctele unei tije metalice omogene (Fig. 2) să fie aceeași; Aceasta înseamnă că concentrațiile, energiile medii și vitezele electronilor liberi sunt la fel peste tot.

Să încălzim un capăt al tijei și să-l menținem la o temperatură constantă T>T 0. Vom răci continuu capătul opus, astfel încât temperatura lui T 0 să rămână neschimbată. Apoi se va stabili un gradient de temperatură în tijă și un flux constant de căldură va curge prin ea. Transferul de căldură în metale se realizează în principal prin mișcarea electronilor liberi. În acest caz, electronii care trec prin secțiunea transversală 1-1 dintr-o regiune cu o temperatură mai mare poartă cu ei mai multă energie decât electronii care trec prin aceeași secțiune transversală în direcția opusă. Datorită diferenței dintre vitezele electronilor aflați în regiuni cu temperaturi diferite, numărul de electroni care trec prin secțiunea transversală 1 - 1 în direcții opuse va fi și el diferit. Astfel, într-o stare de echilibru, prezența unui gradient de temperatură de-a lungul tijei creează o diferență de potențial constantă la capete, a cărei mărime este proporțională cu gradientul de temperatură.

Dacă două metale diferite 1 și 2 sunt lipite într-un singur loc, iar joncțiunea este încălzită la o anumită temperatură T care depășește temperatura ambelor capete T 0 (Fig. 3, a), atunci datorită scăderii diferite a potențialului ambelor metale și concentrațiile lor de electroni, potențialele capetelor libere vor fi sunt diferite, iar între metale va apărea o diferență de potențial U. Dacă o astfel de joncțiune este încălzită la o temperatură diferită T" (Fig. 3, b), atunci a între capete libere se va stabili o valoare diferită a diferenţei de potenţial U'.

Prin conectarea capetelor libere ale metalelor identice (așa cum se arată în Fig. 3 cu o linie punctată), vedem că într-un circuit închis de două metale diferite apare o forță electromotoare.

dacă între joncțiuni se menține o diferență de temperatură constantă. Această mărime se numește forță termoelectromotoare (termoputere) și creează un curent electric constant într-un circuit închis (Fig. 4).

Derivat

caracterizează creșterea puterii termice pentru o pereche dată de metale atunci când una dintre joncțiuni este încălzită cu 1° și este de obicei foarte mică. Pentru perechile fier - cupru, fier - constantan, care sunt utilizate pe scară largă în tehnologie la măsurarea temperaturilor, e 1, 2 este de ordinul a 50 µV/grad. Pentru o pereche de aliaj platină-platină-rodiu la temperatură înaltă, acest coeficient este de aproximativ 10 ori mai mic.

Prin măsurarea valorii termoputerii, este posibilă determinarea diferenței de temperatură între joncțiunile plasate în diferite rezervoare. Pentru astfel de aplicații practice, se selectează termocupluri al căror coeficient e 1,2 rămâne practic constant într-un interval larg de temperatură. În acest caz e. d.s. este direct proporțională cu diferența de temperatură dintre joncțiunile calde și reci:

e 1,2 = const și .

Este necesar să se sublinieze diferența fundamentală dintre diferența de potențial de contact și fenomenele termoelectrice. Potențialele de contact au o valoare relativ mare (de ordinul mai multor volți) și caracterizează câmpul electric în afara conductorilor dintre suprafețele exterioare ale acestora din urmă. Diferența de potențial de contact este un efect static care nu dispare nici măcar la temperatura zero absolut. În schimb, fenomenele termoelectrice sunt efecte pur cinetice observate în prezența fluxurilor de căldură sau sarcină (adică curent). Diferențele de potențial rezultate sunt mici în valoare absolută (fracții de milivolt). La zero absolut, numărul de electroni n" responsabili pentru aceste efecte este zero și toate fenomenele termoelectrice dispar.

Constanța lui e 1.2 și dependența liniară nu sunt întotdeauna observate și nu pe întregul interval de temperatură. Pentru o serie de sisteme, cu creșterea temperaturii joncțiunii fierbinți, termoputerea nu se modifică monoton, mai întâi crește, apoi scade și chiar trece prin zero (punctul de inversare). În plus, valoarea termoputerii (și coeficientul Peltier) este sensibilă la influențele mecanice externe care distorsionează structura metalului și nivelurile de energie ale electronilor. Prin urmare, termocuplurile utilizate în tehnologie și cercetare științifică necesită întotdeauna o calibrare individuală atentă.

Circuitele și dispozitivele electrice conțin întotdeauna joncțiuni sau contacte ale conductorilor de compoziție și procesare diferite. Când temperatura ambientală fluctuează, la aceste puncte de contact apare termoputere necontrolată. Datorită micimii acestor termoputeri, de obicei nu afectează funcționarea dispozitivelor, dar cu măsurători foarte precise și delicate este necesar să se țină cont și să se prevină posibilitatea unor astfel de influențe.

Pe de altă parte, termoputerea are aplicații practice utile largi, ca metodă electrică simplă de măsurare a temperaturilor. Cu astfel de intenții, folosind termocupluri sau termoelemente, una dintre joncțiuni este menținută la o temperatură constantă foarte specifică T 0 (de exemplu, plasată în gheață care se topește) și se măsoară curentul termic care circulă într-un circuit închis.

folosind un galvanometru, așa cum se arată în Fig. 5.

În termocuplurile tehnice mai brute, una dintre joncțiuni este pur și simplu la temperatura ambiantă. Pentru a crește sensibilitatea termoelementelor, acestea sunt conectate în serie într-un termopil (Fig. 6).

Pentru măsurători de precizie, este de preferat să se măsoare nu termocurentul, ci direct termoputerea, compensând-o cu o forță electromotoare cunoscută.

4. Aplicarea efectului Seebeck

Fenomenul Seebeck nu contrazice a doua lege a termodinamicii, deoarece în acest caz energia internă este convertită în energie electrică, pentru care se folosesc două surse de căldură (două contacte). În consecință, pentru a menține un curent constant în circuitul luat în considerare, este necesar să se mențină o diferență constantă de temperatură între contacte: căldura este furnizată continuu contactului mai fierbinte, iar căldura este în mod continuu îndepărtată de la cel mai rece.

Fenomenul Seebeck este folosit pentru a măsura temperatura. În acest scop, se folosesc termoelemente sau termocupluri - senzori de temperatură alcătuiți din doi conectați între ei cu distanțe interstițiale într-o rețea metalică. Numărul de electroni implicați în difuzia prin stratul de contact este de aproximativ 2% din numărul total de electroni aflați pe suprafața metalului. O astfel de modificare ușoară a concentrației de electroni în stratul de contact, pe de o parte, și grosimea sa mică în comparație cu calea liberă medie a electronului, pe de altă parte, nu poate duce la o schimbare vizibilă a conductivității stratului de contact în comparație. la restul metalului. În consecință, curentul electric trece prin contactul a două metale la fel de ușor ca și prin metalele în sine, adică. stratul de contact conduce curentul electric în ambele direcții (1→2 și 2→1) în mod egal și nu dă efectul de redresare, care este întotdeauna asociat cu conductivitatea unidirecțională.

Folosind fenomenul Seebeck, pe lângă temperatură, se pot determina și alte mărimi fizice, a căror măsurare poate fi redusă la măsurarea temperaturilor: puterea curentului alternativ, fluxul de energie radiantă, presiunea gazului etc.

Pentru a crește sensibilitatea, termoelementele sunt conectate în serie în termopile. În același timp, toate joncțiunile pare sunt menținute la o temperatură, iar toate joncțiunile impare sunt menținute la o altă temperatură. EMF a unei astfel de baterii este egală cu suma puterii termice a elementelor individuale.

Termopilele miniaturale (așa-numitele termopile) sunt folosite cu succes pentru a măsura intensitatea luminii (atât vizibilă, cât și invizibilă). Atunci când sunt combinate cu un galvanometru sensibil, au o sensibilitate enormă: detectează, de exemplu, radiația termică a unei mâini umane.

Termopilul este, de asemenea, de interes ca generator de curent electric. Cu toate acestea, utilizarea termoelementelor metalice este ineficientă, astfel încât materialele semiconductoare sunt folosite pentru a transforma energia termică în energie electrică.

Crearea de convertoare de energie termoelectrică de înaltă eficiență este una dintre problemele tehnice actuale. Cercetarea fundamentală și aplicată care vizează rezolvarea acestei probleme se desfășoară atât în ​​laboratoarele universitare, cât și în centrele de cercetare ale companiilor implicate în producția de electronice, automatizări și alte produse de înaltă tehnologie. Se lucrează în diverse direcții, de la studiul proprietăților termoelectrice ale heterostructurilor până la crearea de dispozitive termoelectrice, care sunt din ce în ce mai utilizate în viața de zi cu zi, în transporturi și în sectorul energetic. Utilizarea convertoarelor de energie termoelectrică este asociată cu generarea de curent electric, utilizarea în frigidere, aparate de aer condiționat, regulatoare de temperatură, dezumidificatoare etc. Există o creștere continuă a interesului pentru dispozitivele termoelectrice în întreaga lume. Volumul termoelementelor produse și al dispozitivelor bazate pe acestea este în continuă creștere. Acest lucru se datorează faptului că există domenii în care avantajele metodelor termoelectrice de conversie a energiei sunt incontestabile. În primul rând, aceasta este sursa de alimentare a mașinilor utilizate pentru explorarea spațiului adânc, dispozitivele autonome de explorare seismică și instalarea protecției catodice a conductelor de petrol și gaze. Cererea de materiale termoelectrice și convertoare termoelectrice pentru diverse scopuri este în continuă creștere pe piața mondială.

În acest sens, Laboratorul de Știința Materialelor Termoelectrice efectuează cercetări experimentale și aplicate în următoarele domenii:

Studiul modelelor de modificări ale susceptibilității magnetice a materialelor termoelectrice pe bază de bismut, antimoniu și teluriu în funcție de cantitatea și tipul de impuritate dopantă pentru a determina compoziția chimică a cristalelor cu anomalii în valoarea unui număr de mărimi fizice cauzate. prin interacţiune intensă electron-plasmon.

Studiul dependenței mărimii coeficienților de transfer electric și de căldură în cristale semiconductoare dopate.

Determinarea compoziţiei chimice a cristalelor cu randament termoelectric maxim.

Crearea de prototipuri de convertoare de energie termoelectrică pentru o gamă largă de temperaturi.

Determinarea conditiilor optime pentru procesul de crestere a cristalelor de materiale termoelectrice pe baza de semimetale bismut, antimoniu si aliajele acestora prin topire zonala.

Studiul influenței interacțiunii excitațiilor elementare ale sistemelor electronice și ionice ale unui cristal asupra valorii eficienței termoelectrice a materialului.

Determinarea factorilor care influențează caracteristicile sistemului electronic al cristalului, contribuind la coordonarea fluxurilor de energie termică și electrică.

Concluzie

Efectul Seebeck, ca și alte fenomene termoelectrice, este de natură fenomenologică.

Deoarece circuitele și dispozitivele electrice conțin întotdeauna joncțiuni și contacte ale diverșilor conductori, atunci când temperatura fluctuează la punctele de contact, apare termoputere, care trebuie luată în considerare atunci când se efectuează măsurători precise.

Pe de altă parte, termoputerea își găsește o aplicație practică largă. Efectul Seebeck în metale este utilizat în termocupluri pentru măsurarea temperaturilor. În ceea ce privește generatoarele termoelectrice, în care energia termică este transformată direct în energie electrică, acestea folosesc termoelemente semiconductoare care au termoputere mult mai mare.

Lista literaturii folosite

1. Zisman G.A. Curs de fizica generala. - M.: Nauka, 1972, 366 p., ill.

2. Trofimova T.I. curs de fizica. - M.: Şcoala superioară, 1990. - 480 p., ill.

I.V. Savelyev Curs de fizică generală, vol. II. Electricitate și magnetism. Valuri. Optică: manual. - Ediția a II-a, revizuită (M., Nauka, redacția principală de literatură fizică și matematică, 1982) p. 233-235.