1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение
Как уже было отмечено, в основе термоэлектрической генерации лежит эффект Зеебека — термоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС Eтэдс прямо пропорционально коэффициенту Зеебека α и разнице температур ΔT между горячей Th и холодной Tc сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа
Представленная конструкция термопары состоит из разнородных полупроводниковых термоэлементов n- и p-типа, соединенных между собой на одной стороне, другие два свободных конца подключаются к нагрузке Rн. Если температура места контакта отлична от температуры свободных концов, то по такой цепи пойдет ток, а на нагрузке будет выделяться полезная мощность. Величину термоЭДС можно определить по формуле:
Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 – Чертеж термоэлектрического генераторного модуля
Рисунок 4 – Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе
Конструктивное исполнение стандартного генераторного модуля мало чем отличается от холодильных термоэлектрических модулей. Между двух керамических пластин смонтированы электрически последовательно, а по тепловому потоку — параллельно термоэлектрические элементы n- и p-типа. Модуль имеет ширину А, длину В и высоту Н (рисунок 3). Как правило, модуль поставляется с напаянными проводами.
1.3 Обзор современных применений термоэлектрического преобразования
Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь — электрической. Основное требование — увеличить объем ее выработки, но в последнее время на передний план выходят дополнительные условия: энергия должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики, в которой особенно остро нуждаются Европа и США. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В таком преобразовании отсутствует промежуточное звено, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую.
За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.
Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях — это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.) Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации.
ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии выделяется на промышленных объектах и оборудовании при температуре поверхностей до 300 °С (рисунок 5).
Рисунок 5 – Распределение температур поверхностей промышленных агрегатов
Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно. Совсем недавно практическое применение получили устройства, утилизирующие энергию тепловых потоков при перепаде температур менее 10 К.
До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остается относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теплового потока в электрическую энергию — от 3 до 8%. Однако в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести обычные линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым. Сферы таких применений крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, а также питания оборудования газои нефтепроводов, морских навигационных систем и до бытовых генераторных устройств, например, в составе дровяной топочноварочной печи, печи для сауны, камина и отопительного котла. Приведем еще несколько примеров практического применения ТЭГ:
а) использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;
б) автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;
в) источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;
г) преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;
д) обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи;
е) измерение тепловых потоков (тепломеры);
ж) обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);
и) получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.
1.4 Термоэлектрические генераторные сборки и устройства
Автономные источники электрической энергии на основе термоэлектрических генераторных модулей нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Мощность, вырабатываемая такими генераторами, составляет от единиц милливатт до единиц киловатт и определяется в конечном итоге экономической целесообразностью выбора этого способа преобразования энергии. Источником тепловой энергии может быть любая энергия, получаемая при сжигании природного газа, дров, угля, пеллет и др.
Термоэлектрическая генераторная сборка в минимальной (упрощенной) конфигурации состоит из металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающую среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур (рисунок 8). Вся конструкция скрепляется вместе тем или иным способом, чаще всего с помощью резьбовых соединений. В одну сборку могут быть установлены несколько модулей. Энергия от нескольких сборок может складываться при соответствующем подключении. Благодаря своей простоте конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет при правильной эксплуатации).
В настоящее время наиболее широкое применение нашли два типа термоэлектрических генераторов: ТЭГ, работающий от природного газа и предназначенный для промышленного применения в газо- и нефтедобывающих отраслях, и ТЭГ, работающий от горения дров и иных широкодоступных видов топлива и предназначенный для решения задач обеспечения энергией садоводов, охотников, строителей и подразделений МЧС при отсутствии штатного электричества.
В ТЭГ для газо- и нефтедобывающей промышленности применяют тепло от сжигания природного газа для его преобразования в электрическую энергию. Такие промышленные генераторы предназначены для питания аппаратуры дистанционного телеуправления, телеметрии, автоматики и систем беспроводной передачи данных. В настоящее время линейка выпускаемых компанией «Криотерм» генераторов обеспечивает возможность получения электрической мощности от 6 до 80 Вт с одного генератора.
1.5 Термоэлектричество в быту
Идея использования термоэлектрической генерации электрической энергии интересует многих инженеров. Первым применением ТЭГ в быту можно по праву считать генератор, разработанный и освоенный в серийном производстве в конце 1940‑х годов. Он был предназначен для питания лампового приемника «Родина» (вырабатываемая мощность — порядка 2 Вт) и работал от тепла керосиновой лампы. Сейчас компания «Криотерм» выпускает в промышленных масштабах широкий спектр термоэлектрических генераторных модулей, позволяющих получать электрическую мощность, достаточную для питания маломощных нагрузок в течение протапливания печи, камина или даже мангала. В таблице 2 приведен ряд современных бытовых применений ТЭГ.
Таблица 2 – Применение термоэлектричества в быту
Бытовой прибор
Дополнительные возможности
Печи для отапливания помещения
Освещение помещения безопасным напряжением 12 В; зарядка аккумуляторов бытовых приборов; обеспечение ускоренной циркуляции воздуха за счет применения вентиляторов; питание ЖК-телевизора и другой радиоаппаратуры; зарядка аккумулятора для использования энергии после окончания протопки
Независимое питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха по дому; питание автономной подсветки
Питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха; питание освещения и маломощных приборов безопасным напряжением 12 В; зарядка аккумулятора для питания устройств после протопки
Мангалы, жаровни, барбекю
Питание подсветки; питание системы регулирования температуры жарки; питание моторчика вращения шампура
Питание автономной подсветки; питание встроенного радиоприемника
Питание циркуляционного насоса; питание маломощных бытовых устройств
Солнечные концентраторы тепловой энергии
Получение электрической энергии для питания систем телеметрии, автоматики, циркуляции теплоносителя и др.
Одним из наиболее ярких примеров применения термоэлектрических генераторов в бытовой технике являются нашедшие в настоящее время широкое распространение термоэлектрические генераторы ТЭГ В25-12 компании «Криотерм», вырабатывающие 25 Вт электрической мощности при обеспечении температуры на нагреваемой поверхности от 300 до 400 °C. Генератор надежен и неприхотлив в эксплуатации. Два генератора, установленные на небольшую отопительную дровяную печь, обеспечивают зарядку встроенного аккумулятора при совместной работе со встроенным контроллером заряда и выдают суммарно 50 Вт электрической энергии в период горения дров.
1.6 Измерение тепловых потоков (тепломеры)
Термоэлектрические модули широко используются в качестве измерителей плотности теплового потока, для измерения и контроля тепловых режимов двигателей, различных приборов и механизмов, для определения тепловых потерь, коэффициента теплопроводности, для получения информации о характере тепловыделений биологических объектов, для дозиметрии, контроля и автоматизации технологических процессов. Принцип действия термоэлектрического модуля в качестве тепломера основан на широко известном методе вспомогательной стенки: на пути регистрируемого теплового потока располагается «стенка» — образец с известным значением коэффициента теплопроводности. В термоэлектрическом модуле роль стенки исполняют ветви полупроводникового вещества. При этом уникальное преимущество термоэлектрического модуля заключается в том, что не требуется никаких дополнительных средств для измерения перепада температур: он определяется непосредственно по напряжению, генерируемому термоэлектрическим модулем. Режим работы ТЭМ в качестве тепломера — это частный случай режима генерации (при бесконечном сопротивлении нагрузки).
1.2 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Известно, что работа выхода электронов из металла зависит от температуры. Следовательно, контактная разность потенциалов также зависит от температуры. Если температура контактов замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, неодинакова, то полная э. д. с. контура не будет равна нулю, и в цепи возникает электрических ток. Явление возникновения термоэлектрического тока (эффект Зеебека) и связанные с ним эффекты Пельтье и Томсона относятся к термоэлектрическим явлениям.
ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА
Эффект Зеебека заключается в возникновении электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру. Этот эффект был обнаружен немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году. Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух проводников 1 и 2 с температурами спаев Т А (контакт А) и Т В (контакт В), представленную на рисунке 2. Рис.2 Считаем, Т А >Т В . Электродвижущая сила ε , возникающая в данной цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:
| ε = ( ϕ 1 − ϕ 2 ) + ( ϕ 2 − ϕ 1 ) . | (7) |
Используя соотношение (3), получим:
| k | n | |||||
| ε = ( Т | − Т | ) | ln | 1 | . | (8) |
| e | ||||||
| А | В | n | ||||
| 2 | ||||||
Следовательно, в замкнутой цепи возникает э. д. с., величина которой прямо пропорциональна разности температур на контактах. Это и есть термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.). Качественно эффект Зеебека можно объяснить следующим образом. Сторонние силы, создающие термоэдс, имеют кинетическое происхождение. Так как электроны внутри металла свободны, то их можно рассматривать как некоторый газ. Давление этого газа должно быть одинаковым по всей длине проводника. Если разные сечения проводника имеют разные температуры, то для выравнивания давления требуется перераспределение концентрации электронов. Это и приводит к возникновению тока. Направление тока I, указано на рис. 2, соответствует случаю Т А >Т В , n 1 >n 2 . Если изменить знак у разности температур контактов, то направление тока измениться на противоположное.
ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
Эффектом Пельтье называется явление выделения или поглощения дополнительной теплоты, помимо джоулева тепла, в контакте двух различных проводников в зависимости от направления, по которому течет электрический ток. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека. Если джоулево тепло прямопропорционально квадрату силы тока, то теплота Пельтье прямо пропорциональна силе тока в первой степени и меняет свой знак при перемене направления тока.
Рис. 3 Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух различных металлических проводников, по которой течет ток I΄ (Рис. 3). Пусть направление тока I΄ совпадает с направлением тока I, показанного на рис. 2 для случая Т В >Т А . Контакт А, который в эффекте Зеебека имел бы более высокую температуру, теперь будет охлаждаться, а контакт В – нагреваться. Величина тепла Пельтье определяется соотношением: Q = П I / t , где I΄ – сила тока, t – время его пропускания, П – коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и температуры. Из-за наличия контактных разностей потенциалов в точках А и В возникают контактные электрические поля с напряженностью E r . В контакте А это поле совпадает с направлением движения электронов, а в контакте В электроны движутся против поля E r . Так как электроны заряжены отрицательно, то в контакте В они ускоряются, что приводит к увеличению их кинетической энергии. При столкновениях с ионами металла эти электроны передают им энергию. В результате повышается внутренняя энергия в точке В и контакт нагревается. В точке А энергия электронов наоборот уменьшается, поскольку поле E r тормозит их. Соответственно контакт А охлаждается, т.к. электроны получают энергию от ионов в узлах кристаллической решетки.
ЭФФЕКТ ТОМСОНА
Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику происходит дополнительное выделение или поглощение теплоты, аналогично тому, как это имеет место в эффекте Пельтье. Поскольку различные участки проводника нагреты неодинаково, то и их физические состояния различаются. Неравномерно нагретый проводник ведет себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков. В более нагретой части проводника энергия электронов выше, чем в менее нагретой. Поэтому в процессе движения они отдают часть своей энергии ионам металла в узлах кристаллической решетки. В результате происходит выделение тепла. Если же электроны движутся в область, где температура выше, то они увеличивают свою энергию за счет энергии ионов, и металл охлаждается.
2.ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Эффект Зеебека широко используется в устройствах для измерения температуры и устройствах прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Простейшее такое устройство состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой), составляющие термопару проводники – электродами, места их соединения – спаями. На рис.4 представлены типичные схемы включения термопары. а) б) Рис.4. Типичные схемы включения термопары На рис.4а измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1. Это типичная схема включения термопары с термостатированным контактом, когда температура одного из спаев поддерживается постоянной (обычно при температуре тающего льда 273К). На рис.4б измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; Т А и Т В — температуры соответственно «горячего» и «холодного» контактов термопары. Это типичная схема включения термопары с нетермостатированным «холостым» контактом, когда температура Т В равна температуре окружающей среды. Термоэдс ε термопары в небольшом интервале температур пропорциональна разности температур спаев:
| ε = α 12 ( Т А − Т В ) , | (9) |
где α АВ — коэффициент т. э. д. с. (величина т. э. д. с., возникающая при разности температур спаев в 1К). α 12 = dT d ε или α 12 = ∆ ∆ T ε . Коэффициент термоэдс α 12 зависит от коэффициентов т. э. д. с. α 1 и α 2 веществ термоэлектродов: α 12 = α 1 − α 2 . Коэффициенты т. э. д. с. различных веществ определяются по отношению к свинцу, для которого α Pb = 0 . Коэффициент т. э. д. с. может иметь как положительное, так и отрицательное значение и в общем случае зависит от температуры. Для получения максимальной величины т. э. д. с. необходимо выбирать материалы с наибольшими коэффициентами т. э. д. с. противоположного знака.
При увеличении разности температур спаев т. э. д. с. будет изменяться не по линейному закону, поэтому перед тем, как измерять температуру при помощи термопары, ее градуируют. Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от температуры жидкого гелия до нескольких тысяч градусов. Чтобы увеличить точность измерений, используют схему включения термопары с термостатированным контактом (рис.4а). Термоэдс весьма чувствительна к наличию химических примесей в спае. Для предохранения рабочего спая термопары от внешних химических воздействий он может быть помещен в защитную химическую оболочку. Для увеличения термоэдс, термопары последовательно соединяют в термобатареи. Все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а нечетные при другой. Термоэлектродвижущая сила такой батареи равна сумме т. э. д. с. ее отдельных элементов (рис. 5). Рис.5 Термобатарея Миниатюрные термобатареи, составленные из тончайших полосок двух различных материалов, применяются для регистрации нагретых тел и измерения испускаемого ими электромагнитного излучения. В соединении с чувствительным гальванометром или электронным усилительным устройством они могут обнаружить, например, тепловое излучение человеческой руки на расстоянии в несколько метров. Высокая чувствительность термобатарей позволяет использовать их в качестве датчиков устройств сигнализации повышения температуры. Термобатареи используются и как генераторы электрического тока. Они просты по устройству и не содержат механических движущихся частей. Однако использование металлических термоэлементов в качестве генераторов малоэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы. Поскольку эффект Пельтье связан с процессами выделения и поглощения тепла, он применяется в устройствах для охлаждения (холодильниках). 3.ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ Для градуировки используют заранее известные с высокой точностью значения температуры (например, температура таяния льда, кипения воды, плавления чистых металлов). При градуировке холодный спай термопары термостатируется в сосуде Дьюара с тающим льдом (т.е. поддерживается при температуре 0 0 С), а второй спай поочередно погружается в ванны с известной температурой. Результаты градуировки представляются в виде градуировочной таблицы или графика зависимости т. э. д. с. от температуры.
ПРИЛОЖЕНИЕ КВАНТОВОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ Т. Э. Д. С. Возникновение термоэлектродвижущей силы обусловлено тремя причинами: 1. температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей т. э. д. с.; 2. диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть т. э. д. с.; 3. процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую – фононную. Рассмотрим первую причину Максимальная кинетическая энергия электронов проводимости в металле при 0К называется энергией Ферми. Уровень Ферми при абсолютном нуле и концентрация электронов проводимости связаны между собой соотношением:
| E f (0) = | h 2 | (3 π 2 n ) 2 / 3 | (П1), |
| 8 π 2 m |
где h – постоянная Планка, m – масса электрона, n – концентрация электронов проводимости. У разнородных металлов концентрация электронов проводимости неодинаковые, поэтому будут различны и уровни Ферми E F1 и E F2. Пусть концентрация n 2 в металле М 2 больше концентрации n 1 в металле M 1 . Рассмотрим энергетические диаграммы двух проводников М 1 и М 2 , расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (рис. П1а). Пусть W 0 – энергия покоящегося свободного электрона в вакууме, где его потенциальная энергия равна нулю. Тогда, относительно этого уровня потенциальная энергия электрона проводимости в металле определяется его внутренней потенциальной энергией еφ и эффективной работой выхода А, а кинетическая энергия зависит от температуры и уровня Ферми. Полную энергию электрона в металле обозначим E F + еφ Если металлы М1 и М2 привести в контакт (рис. П1 б, в), начнется диффузия электронов, в процессе которой электроны будут переходить из металла 2 в металл 1, так как n 1
Рис. П1. Энергетическая диаграмма двух металлов: а) контакта нет; б) в контакте, но нет равновесия; в) равновесие Действительно, в металле М2 имеются заполненные энергетические уровни, расположенные выше уровня Ферми Е F1 первого металла. Электроны с этих уровней будут переходить на нижележащие свободные уровни металла М1, которые расположены выше уровня Е F1 . В результате диффузии металл 2 будет заряжаться положительно, а металл 1 отрицательно, причем уровень Ферми у первого металла поднимается, а у второго
опускается. Таким образом, в области контакта возникает электрическое поле, а, следовательно, и внутренняя контактная разность потенциалов , которая препятствует дальнейшему перемещению электронов. При некотором значении внутренней контактной разности потенциалов U 12 между металлами установится равновесие, и уровни Ферми при этом сравняются. Это произойдет при равенстве энергий E F 1 + e ϕ 1 = E F 2 + e ϕ 2 . Отсюда следует выражение для внутренней контактной разности потенциалов
| ϕ 1 − ϕ 2 = U 12 | = | E F1 — E F2 | . | (П2) |
| e | ||||
Если оба спая А и В проводников находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и имеют противоположные знаки, то есть компенсируют друг друга. При выводе предполагалось, что металлы находятся при низких температурах. Однако результат останется верным и при других температурах: нужно лишь иметь ввиду, что при Т≠0К уровень Ферми зависит не только от концентрации электронов, но и от температуры. При условии, что kТ
| − π | 2 | kT | ||||
| Е | F | ≈ Е | F | ( 0 ) 1 | . | (П3) |
| 12 | ||||||
| E F ( 0 ) | ||||||
Следовательно, если в местах спаев А и В поддерживать разную температуру, то сумма скачков потенциала в спаях будет отлична от нуля и вызовет появление ЭДС. Эта ЭДС, обусловленная контактными разностями потенциалов, согласно выражению П2 равна: ε k = U 12 ( T А ) + U 12 ( T В ) = 1 e < [ E F 1 ( T А ) − E F 2 ( T А ) ] + [ E F 1 ( T В ) − E F 2 ( T В ) ] >= = 1 e < [ E F 2 ( T В ) − E F 2 ( T А ) ] + [ E F 1 ( T В ) − E F 1 ( T А ) ] >Последнее выражение можно представить следующим образом:
| ε k | = ∫ В | 1 dE F 2 | dT − ∫ В | 1 dE F 1 | dT . | (П4) | ||
| T | T | |||||||
| Т А e | dT | T А e | dT | |||||
Вторая причина обуславливает объемную составляющую т. э. д. с., связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металле перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникает электрическое поле Е r Т , направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. П2)
Рис. П2 Возникновение т. э. д. с. в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры. Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая т. э. д. с., которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах. Третий источник т. э. д. с. – эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов (квантов энергии упругих колебаний решетки), направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую т. э. д. с., вклад которой при низких температурах становится определяющим:
| ε 1 AВ | = ∫ В d ϕ = ∫ В d ϕ dT = ∫ В | β 1 dT , (П5) | ||
| T | ||||
| А | А dT | T А | ||
где β 1 = d dT ϕ — коэффициент объемной т. э. д. с. в металле М1.
| ε 2 АB | = − ∫ d ϕ = − ∫ d ϕ dT = − ∫ β 2 dT | , (П6) | |||
| В | В | T В | |||
| А | А | dT | T А | ||
где β 2 = d dT ϕ — коэффициент объемной т. э. д. с. в металле М2. Сумма всех этих ЭДС образует термоэлектродвижущую силу ε T = ε k + ε A 21 + ε B 12 . (П7) Подставив выражения (П4), (П5) и (П6) в равенство (П7), получим
| Т В | 1 dE F 1 | T В | 1 dE F 2 | ||||
| ε Т = ∫ | β 1 | − | dT − ∫ | β 2 | − | dT . (П8) | |
| Т А | е dT | T А | e dT | ||||
Величина α = β − 1 е dE dT F называется коэффициентом т. э. д. с. и является функцией
температуры. Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей. В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не
зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому коэффициенты термоэдс «классических» металлов очень малы (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников α может превышать 1000 мкВ/К. Используя коэффициент α , представим выражение (П8) в виде:
| T B | T B | T |
| ε T = ∫ α 1 dT − ∫ α 2 dT или ε T | = ∫ B α 12 dT (П9) , | |
| T A | T A | T A |
где α 12 = α 1 − α 2 — называется дифференциальной или удельной термоэлектродвижущей силой данной пары металлов. Если α 12 слабо зависит от температуры, тогда формулу (П9) можно приближенно представить в виде: ε = α 12 ( T В − Т А ) (П10)
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ АУД. 317 1. Подготовить к работе цифровой универсальный вольтметр В7-23, для этого нажать на передней панели прибора на кнопку «сеть», а затем на кнопку «авт.» автоматической установки предела измерений. 2. Подключить к цифровому вольтметру В7-23 образцовую термопару. Для этого переключатель «П» блока термопар перевести в положение «ТП 0 ». 3. Установить на источнике нагревателя термопар ток нагрузки I н = 0,6 А. Чтобы включить нагрев рабочих спаев образцовой и исследуемой термопар, сетевой тумблер источника питания нагревателя установить в положение «вкл.»
4. При достижении температуры нагревателя термопар, при которой ЭДС образцовой термопары достигнет значения ε 0 = 0,5 мВ ,
необходимо ко входу цифрового вольтметра В7-23 вместо образцовой термопары подключить исследуемую термопару. Для этого переключатель «П» блока термопар следует быстро перевести в положение «ТП н » и занести в таблицу результатов измерений, полученное значение ЭДС исследуемой термопары ε н . Таблица 1
| Ток | t н = ∆ t + t ср , | ||||
| № | нагревате | ε 0 , | ε н , | ∆t, | t ср , |
| ля | 0 C | 0 С | 0 С | ||
| п/п | І н , А | мВ | мВ | ||
| 1 | 0,00 | 0,00 | |||
| 2 | 0,60 | 0,50 | |||
| 3 | 0,70 | 1,00 | |||
| 4 | 0,80 | 1,50 | |||
| 5 | 0,90 | 2,00 | |||
| 6 | 0,90 | 2,50 | |||
| 7 | 1,00 | 3,00 | |||
| 8 | 1,00 | 3,50 | |||
| 9 | 1,10 | 4,00 | |||
| 10 | 1,10 | 4,50 | |||
| 11 | 1,20 | 5,00 | |||
| 12 | 1,20 | 5,50 | |||
| 13 | 1,20 | 6,00 | |||
| 14 | 1,20 | 6,50 | |||
| 15 | 1,20 | 7,00 |
5. Увеличить ток нагревателя до 0,8А. 6. Снова переключателем «П» подключить к цифровому вольтметру В7-23 образцовую термопару. и при достижении ЭДС образцовой термопары значения ε 0 = 1,00 мВ переключатель «П» перевести в положение, соответствующее измерению ЭДС исследуемой термопары. Полученное значение ЭДС исследуемой термопары ε н занести так же в таблицу 1 результатов измерений.
7. Увеличить ток нагревателя на 0,1А и при значении ЭДС образцовой термопары ε 0 = 1,50 мВ переключатель «П» перевести в положение, соответствующее измерению ЭДС исследуемой термопары ε н занести в таблицу 1 результатов измерений. 8. Аналогичным способом, увеличивая ток нагревателя согласно рекомендациям таблицы 1, измерить ЭДС исследуемой термопары при значениях ЭДС образцовой термопары 2,00мВ; 2,50мВ; 3,00мВ; 3,50мВ; 4,00мВ; 4,50мВ; 5,00мВ; 5,50мВ; 6,00мВ; 6,50мВ; 7,00мВ. 9. По результатам выполнения измерений ЭДС образцовой термопары (см. табл.1), используя градуировочную таблицу значений ЭДС образцовой термопары, определить разность температур нагретого и холодного концов термопар ∆t и записать в таблицу1. 10. Определить действительные значения температур нагревателя, как t н = ∆ t + t ср и записать полученные значения температуры нагревателя в таблицу 1. Здесь t ср – температура среды. 11. Используя данные градуировочной таблицы и таблицы 1 построить на миллиметровой бумаге график зависимости ЭДС образцовой и исследуемой термопары от разности температур концов.
12. Используя графики зависимости ЭДС образцовой и исследуемой термопар от разности температур концов по углу наклона полученных прямых, определить значения коэффициентов т. э. α о 12 д. с. образцовой и α н 12 исследуемой термопар по формуле: α 12 = ∆ ε / ∆ t 13. Коэффициент т. э. д. с. α 12 — величина, зависящая от коэффициентов т. э. д. с. веществ α 1 и α 2 , из которых изготовлены термопары, и равна их разности α 12 = α 1 − α 2 . 14. Используя данные таблицы 2 для коэффициентов α 1 и α 2 т. э. д. с. материалов, из которых изготовлена используемая в данной лабораторной работе в качестве образцовой хромель-копелевая термопара, рассчитать значение коэффициента т. э. д. с. α о 12 этой термопары. Сравнить полученное значение коэффициента т. э. д. с. α о 12 со значением коэффициента т. э. д. с. α о 12 , полученным при выполнении п.13 задания. 15. Используя данные таблицы 2 определить материал, из которого изготовлен термоэлектрод А исследуемой термопары, если известно, что термоэлектрод В исследуемой термопары изготовлен из алюмеля, для которого α 2 = -17,3мкВ/град
Таблица 2. Коэффициенты термоЭДС некоторых материалов относительно свинца
| Коэффициент | |||
| Материал | термоЭДС, | ||
| мкВ/град | |||
| Sb (сурьма) | 43 | ||
| Fe (железо) | 15 | ||
| W (вольфрам) | 3,6 | ||
| Cu (медь) | 3,2 | ||
| Металлы | Au (золото) | 2,9 | |
| Ag (серебро) | 2,7 | ||
| Pb (свинец) | 0 | ||
| Pt (платина) | -4,4 | ||
| Ni (никель) | -20,8 | ||
| Bi (висмут) | -68 | ||
| Хромель | 24 | ||
| Сплавы | Копель | -38 | |
| Алюмель | -17,3 | ||
| Нихром | -18 | ||
| Константан | -38 | ||
| MoS | (сульфид | -770 | |
| молибдена) | |||
| CuO (окись меди) | -700 | ||
| CdO | (окись | -40 | |
| Полупроводники | кадмия) | ||
| FeS | (сульфид | 26 | |
| железа) | |||
| NiO (окись никеля) | 240 | ||
| Cu 2 O (закись меди) | 1200,00 | ||
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ АУД. 415 Ι) Проверить на рабочем месте правильность сборки схемы установки, согласно монтажной схеме(см. рис. ниже) Рис. Монтажная схема: А — потенциометр, В — электропечь с термопарами, С — источник питания печи, ТХА -хромель-алюмелевая термопара. ΙΙ) Прежде, чем включить источник питания в сеть (ТЕС-88), необходимо ручки грубой и точной регулировки тока I установить в крайнее правое положение, вращая их по часовой стрелке до упора, а ручки грубой и точной регулировки напряжения U в крайнее левое положение, вращая их против часовой стрелки до упора. Затем включить источник питания в сеть. Ручкой грубой регулировки напряжения U установить напряжение 4,0 В. После подогрева печи в течение 5 минут, произвести измерения т. э. д. с. датчика-температуры (термопары ТХА) и т. э. д. с. исследуемых термопар №1 и №2. Для этого подготовить прибор Р4833 к работе: Порядок работы с прибором Р4833 при измерении ЭДС и напряжения: 1. Перед началом работы все кнопки потенциометра должны быть отжаты! 2. Нажмите кнопки «Г», «БП», «НЭ», «П». 3. Нажмите кнопку « 
1». 4. Произведите установку (контроль) рабочего тока первого контура потенциометра. Для этого установите стрелку гальванометра на ноль вращением ручек рабочий ток «1 
» (грубо) и «1 
» (точно) вначале при нажатой кнопке 
, затем при нажатой кнопке 
. 5. Нажмите кнопку « 
2». 6. Произведите установку (контроль) рабочего тока второго контура потенциометра. Для этого установите стрелку гальванометра на ноль вращением ручек рабочий ток «2 
» (грубо) и «2 
» (точно) вначале при нажатой кнопке 
, затем при нажатой кнопке 
. 7. Подключите объект измерения к зажимам «-x», «mV», соблюдая полярность. 8. Произведите измерение: • Нажмите кнопку «I». • Добейтесь полной компенсации измеряемого напряжения, установив стрелку гальванометра на ноль вращением ручек декадных переключателей «×10Ω (mV)», «×1Ω
(mV)», «×0.1Ω (mV)», «×0.01Ω (mV)» вначале при нажатой кнопке 
, затем при нажатой кнопке 
. • Значение измеренного напряжения в mV будет равно сумме показаний декад. ΙΙΙ) В дальнейшем, увеличивая каждый раз напряжение на 1,0 В, до величины равной 8,0 В, последовательно произвести измерения т. э. д. с. ε ТХА , ε X 1 , ε X 2 как указано в пунктах 7 и 8. Занести все значения в таблицу 1.
| Таблица 1 | ||||||
| № | ε X 1 , мВ | ε X 2 ,мВ | ε ТХА , мВ | ∆ t , град | C X 1 , мВ/град | C X 2 , мВ/град |
| 1 | ||||||
| 2 | ||||||
| 3 | ||||||
| 4 | ||||||
| 5 | ||||||
| СРЕДНЕЕ |
ΙV) Используя график термопары ТХА (см. на следующей странице) , по значению ε ТХА найти ∆ t . Данные записать в таблицу №1. V) Зная величины т. э. д. с. ε X 1 и ε X 2 , и ∆ t , на одной координатной сетке построить графики зависимости ε X 1 и ε X 2 , как функции от ∆ t . VΙ) По формуле C = ε / ∆ t рассчитать постоянные термопар C X 1 и C X 2 и вычислить их средние значения. Окончательно заполнить таблицу 1.
Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона
Работа термоэлектрических холодильных машин и генераторов базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.
Термоэлектрические свойства проводников обусловлены связями между тепловыми и электрическими потоками:
- эффект Зеебека — возникновение термо-ЭДС в цепи неоднородных проводников, при различных температурах ее участков ;
- эффект Пельтье — поглощение или выделение тепла на контакте двух различных проводников при пропускании через них постоянного электрического тока ;
- эффект Томсона — поглощение или выделение тепла (сверхджоулевого) в объеме проводника при пропускании через нега пост, электрического тока при наличии градиента температур.
Эффект Зеебека, Пельтье и Томпсона относятся к числу кинетических явлений. Они связаны с процессами перемещения заряда и энергии, поэтому их часто называют явлениями переноса. Направленные потоки заряда и энергии в кристалле порождаются и поддерживаются внешними силами: электрическим полем, градиентом температуры.
Направленный поток частиц (в частности, носителей заряда — электронов и дырок) возникает также при наличии градиента концентрации этих частиц. Магнитное поле само по себе не создает направленных потоков заряда или энергии, однако влияет на потоки, создаваемые другими внешними воздействиями.
Эффект Зеебека
Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т1 (горячий спай), а на другом температуру Т2 (холодный спай), то при условии Т1 не равна Т2 на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.
При наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает термодиффузионный поток носителей заряда от горячего конца к холодному. Если электрическая цепь разомкнута, то носители накапливаются на холодном конце, заряжая его отрицательно, если это электроны, и положительно в случае дырочной проводимости. При этом на горячем конце остается нескомпенсированный заряд ионов.
Возникающее электрическое поле тормозит носители, движущиеся к холодному концу, и ускоряет носители, движущиеся к горячему. Формируемая градиентом температуры неравновесная функция распределения смещается под действием электрического поля несколько деформируется. Результирующее распределение таково, что ток равен нулю. Напряженность электрического поля пропорциональна вызвавшему его градиенту температуры.
Величина коэффициента пропорциональности и его знак зависят от свойств материала. Обнаружить электрическое поле Зеебека и измерить термоэлектродвижущую силу можно лишь в цепи, составленной из разнородных материалов. Контактные разности потенциалов соответствуют разнице химические потенциалов материалов, приведённых в контакт.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока).
Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).
Эффект Томсона
Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты.
Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному.
На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает.
Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.
Практическое применение эффекта Томсона не нашел, но его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.
Практическое использование эффектов Зеебека и Пельтье
Термоэлектрические явления: эффекты Зеебека и Пельтье — находят практическое использование в безмашинных преобразователях тепловой энергии в электрическую — термоэлектрогенераторах (ТЭГ), в тепловых насосах — охлаждающих устройствах, термостатах, кондиционерах, в измерительных системах и системах управления в качестве датчиков температуры, теплового потока (смотрите — Термоэлектрические преобразователи).
Основой термоэлектрических приборов являются специальные полупроводниковые элементы-преобразователи (термоэлементы, термоэлектрические модули), например такие как TEC1-12706. Подробнее читайте здесь: Элемент Пельтье — как устроен и работает, как проверить и подключить
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Термоэлектрический эффект Зеебека: что это такое? Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы
Если два бруска изготовленных из разных металлов плотно прижать друг к другу, то на их контакте сформируется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов.
Данное явление обусловлено различием в величинах работ выхода электронов из металла, характерных для каждого из двух контактирующих металлов. Работой выхода электронов из металла (или просто работой выхода) называют работу, которую необходимо затратить на то, чтобы переместить электрон из поверхности металла в окружающий вакуум.
Практически, чем больше значение работы выхода — тем меньше вероятность того, что электроны смогут перейти границу раздела. В результате получается, что на той стороне контакта, где находится металл с большей (!) работой выхода скапливается отрицательный заряд, а на стороне металла с меньшей работой выхода — положительный.
Итальянский физик Алессандро Вольта наблюдал это явление и описал его. Из опыта он вывел два закона, известных сегодня как законы Вольта.
Первый закон Вольта звучит так: на контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев.
Второй закон Вольта: разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре.
С позиции классической электронной теории необычные результаты эксперимента Вольта объясняются довольно просто. Если принять за ноль потенциал за пределами металла, то внутри металла с потенциалом ?i энергия электрона относительно вакуума будет равна:
Приведя в контакт два разных металла с работами выхода А1 и А2, будем наблюдать избыточный переход электронов из второго металла, с меньшей работой выхода, в первый металл, работа выхода из которого больше.
В результате этого перехода концентрация (n1) электронов в первом металле увеличится по сравнению с концентрацией электронов во втором металле (n2), что как раз и породит обратный избыточный диффузный поток электронного газа, направленный противоположно потоку, обусловленному различием работ выхода.
В состоянии равновесия на границе двух металлов установится следующая разность потенциалов:
Значение установившейся разности потенциалов можно определить так:
Данное явление, при котором возникает контактная разность потенциалов, очевидно зависящая от температуры, именуется термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. На эффекте Зеебека основана работа термопар и термоэлектрических генераторов.
Термопара состоит из двух спаев двух разных металлов. Если один из спаев поддерживать при более высокой температуре чем другой, то на выводах термопары возникнет термоЭДС:
Термопары служат для измерения температуры, а батареи, набранные из множества термопар, могут применяться в качестве источников ЭДС и даже термоэлектрических генераторов.
В термоэлектрическом генераторе при нагревании спая двух разных металлов, между свободными выводами, находящимися при более низкой температуре, возникает термоэлектрическая разность потенциалов или термоЭДС. И если замкнуть такую цепь на сопротивление, то в цепи потечет ток, то есть будет происходить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую.
Коэффициент термоЭДС, как говорил Вольта, зависит от природы металлов входящих в данную термопару. Значения термоЭДС для разных термопар измеряются в микровольтах на градус.
Если взять проводник в форме кольца, составленный из двух разных металлов А и Б, соединенных в двух местах, и нагреть одно из мест соединения до температуры Т1, так чтобы температура Т1 получилась больше чем Т2 (температура второго соединения), то в горячем контакте ток будет направлен из металла Б в металл А, а в холодном — из металла А в металл Б. ТермоЭДС металла А считают в этом случае положительной относительно металла Б.
Все известные металлы обладают собственными значениями коэффициентов термоЭДС, их можно расположить последовательно в столбец, так чтобы каждый металл показывал положительную термоЭДС по отношению к нижеследующему.
Вот, например, список термоЭДС (выраженных в милливольтах), которые получатся при соединении указанных металлов в паре с платиной при разности температур контактов в 100 градусов:
С помощью приведенных данных можно определить, какая термоЭДС получится если соединить, например, медь с алюминием и поддерживать разность температур контактов в 100 градусов. Достаточно вычесть меньшее значение термоЭДС из большего. Так, пара медь-алюминий при разнице температур в 100 градусов даст термоЭДС равную 0,74 — 0,38 = 0,36 (мВ).
Термоэлектрические генераторы на чистых металлах не эффективны (их КПД около 1%), поэтому они не получили широкого распространения. Однако стоит отметить полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, показывающие КПД до 7%.
В их основе — сильно легированные полупроводники, твердые растворы на основе халькогенидов пятой группы. Для поддержания «горячей» стороны при постоянной температуре подходит солнечный свет или тепло разогретой печи.
Подобные устройства применимы в качестве альтернативных источников энергии на удаленных объектах: маяках, метеостанциях, космических аппаратах, навигационных буях, активных ретрансляторах, станциях антикоррозийной защиты нефте- и газопроводов.
Главные преимущества термоэлектрических генераторов заключаются в отсутствии движущихся частей, бесшумной работе, сравнительно небольших размерах и простоте настройки. Однако главный их недостаток — чрезвычайно низкий КПД в районе 6%, нивелирует эти достоинства.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика