Эффект Зеебека: описание, объяснение и использование

Из истории

История умалчивает о том, чего хотел добиться Зеебек в 1822 г., нагревая контакт из сурьмы и висмута. Возможно, эффект был результатом случайных совпадений, которые часто случаются, и которые случились у Эрстеда со стрелкой компаса. Зеебек записывал показания гальванометра, держа рукой спай термопары. Считается, что удачной конструкции собственного компаса он обязан счастливой случайности.

Устройство состояло из двух половинок: каркас из одного металла, край стеклянной крышки из другого. Положив руку на свойство, Зеебек отметил отклонение магнитной стрелки от исходного положения. Разница, вероятно, была не столь заметна, но исследователь терпеливо повторил эксперимент и наблюдал за результатом.

Из рисунка видно, что нагрев лампой вызывает значительное отклонение стрелки от магнитного меридиана. Это вызвано текущим текущим полем. Скобка, удерживающая стрелку сверху, несет заряды (со знаком плюс) в указанном направлении. Создается круговое магнитное поле, которое изменяет показания компаса.

Доподлинно неизвестно, был ли компас сделан из сурьмы и висмута или Зеебек позже нашел эти материалы в частном порядке, но даже сегодня термопары часто изготавливаются из этих металлов. Комбинация была выбрана из-за ее высокой эффективности.

Исследовательский аппарат

Применение термогенераторов

Опытным путем было установлено, что КПД термопары достигает почти 3%. Для начала 19 века это хороший показатель, который может соперничать с любой паровой машиной. В отечественной литературе приводятся сведения о том, что КПД термогенераторов не достигал 0,5 %. Во-первых, это не всегда относится к изолированным термопарам, а во-вторых, считается коммунистической пропагандой.

В советское время персональные компьютеры клеймили (концепция была разработана в СССР), а сейчас каждый чиновник гордится новеньким ноутбуком из Кореи или США. Авторы больше склонны полагаться на зарубежные источники, приводя цифры в районе 3%.

Георг Ом с помощью термопары открыл известный закон, а Фарадей использовал их для изучения электролиза. Ученые быстро к этому привыкли, и к середине 19 века уже существовали термоэлектрические генераторы с достаточно высокой производительностью — в том числе и для плакирования металлических деталей.

После отчета Зеебека термопары стали неотъемлемой частью экспериментальных установок, где требовалась стабильность. А к началу 20 века уже было создано множество сооружений.

В русских журналах писали о возгорании термоэлектрических печей, для зарядки аккумуляторов использовалась батарея Гульчера. Интерес к этой области несколько ослаб после изобретения двигателя внутреннего сгорания и электродвигателей, но в современном мире термопары считаются перспективным видом источника энергии для развития.

Но перспектива использования солнечных лучей казалась заманчивой еще в начале 20 века. Первые экспериментальные данные были опубликованы в 1922 г.: «Установка из 105 термопар (медь-константан), площадью 1 кв см каждая, показала КПД 0,008 % и выдала энергию порядка 61 мкВт в полдень».

В это же время эффект Зеебека стали использовать для питания портативных радиоприемников. В теме термоэлектрогенераторов есть реклама того времени. Говоря простым языком, читатели поймут, что новый блок питания хорош для прослушивания последних новостей.

Неудивительно, что в скором времени в журнале СССР появились любительские заметки о том, что тепло от керосиновой лампы можно было бы правильно использовать для питания цепей электронной аппаратуры. Чечик в журнале «Бедный» (1928 г.) сообщил о генераторе собственной конструкции из железоникелевых термопар. Статья подобного характера появилась в журнале Radifront в № 13 за 1937 год.

Послевоенные генераторы на эффекте Зеебека давали полезную мощность 1 Вт на 1 кг массы. Но эффективность по-прежнему оставалась низкой. В одном русская литература права — советская продукция не ушла впереди планеты всей. Уже во время Второй мировой войны эффект Зеебека давал спокойную энергию радистам, гревшимся у костра в смутные времена.

Еще раз рассматривалась возможность использования, во многих учебниках физики есть сведения о генераторе Иоффе, созданном в начале 50-х годов (см рис.). В то время считалось, что можно добиться КПД 5-7%, выпускались генераторы ТГК-3 для радиоприемников. Создан солнечный элемент площадью 360 кв см, который дает 0,175 Вт при КПД 0,59%. Вы можете видеть, что цифры значительно увеличились.

Иофф генератор

Например, керосиновая генераторная лампа Иоффе в 1950-х годах позволяла эксплуатировать радиоприемник при температуре внутренних спаев 300-350 градусов Цельсия и внешних спаев в пределах 60. Тогда уже была доказана возможность изготовления устройств с КПД 8%.

Историю развития термоэлектрических генераторов до наших дней можно посмотреть в соответствующем разделе, а сейчас мы рассмотрим физические процессы, происходящие в проводниках.

Термодатчики

В начале 80-х 40% всех промышленных измерений приходились на температуру, и 2/3 из этого числа датчиков работали на эффекте Зеебека. Исследователи быстро пришли к выводу, что низкая эффективность оправдывается высокой точностью. В СССР об этом узнали бы раньше, удосужившись в начале 20-х годов 19 века перевести на русский язык труды Георга Ома. Широта использования приборов поражает — от 0,5 до 3000 К.

Эндемическая индустриализация привела к необходимости поиска новых методов управления технологическими процессами. Рабочий класс не успевал за растущим горизонтом, а народ нуждался в отдыхе и досуге. Как выразился один писатель, научные открытия стали обычным явлением в Америке, когда им удалось улучшить жизнь и успокоить воинственных индейцев.

Без науки страна не развивается и не видит прибыли, досуг и свободное время рассматриваются как ценный ресурс. К преимуществам датчиков эффекта Зеебека относятся:

1. Небольшая инерция. Если от первых изделий требовалась стабильность, то их намеренно делали громоздкими, для медленной реакции на внешнюю среду современная термопара (см рис.) имеет небольшие размеры и входит в состав бытовых приборов (например, холодильников).

   Современная термопара

2. Простая установка. Человек, столкнувшийся с необходимостью замены барометрического термостата холодильника, знает, насколько это сложный и трудоемкий процесс. Термопара подключается куском проволоки, просто и быстро.
3. Уже подчеркивался широкий диапазон измеряемых температур. Сегодня даже потребительские тестеры продаются с термопарами в качестве датчиков. Выбор зависит от конструктивных особенностей, легко выбрать по доступной цене или расширенным возможностям.
4. Технологический процесс характеризуется повторяемостью параметров от партии к партии, однородностью, простотой производства, возможностью миниатюризации, пригодностью для автоматизированной сборки.

Эти функции позволяют гибко, точно и быстро отслеживать изменения температуры. Чувствительность изделия определяется коэффициентом Зеебека, который достигает 100 мкВ/К. Основной характеристикой термопары является стабильность параметра в зависимости от механических, температурных, магнитных и других воздействий

. Поэтому стабильность не всегда считается главной характеристикой. Иногда жертвуют эффективностью, выбирая сплав с максимальной устойчивостью к тем или иным внешним факторам.

Как работает термопара

Эффект Зеебека долгое время оставался необъяснимым. На сегодняшний день существуют две теории, описывающие происходящие процессы:

• кинетический (микроскопический);
• термодинамический (макроскопический).

Делается вывод о том, что современная наука не располагает точными данными о механизме действия термопары.

Простое объяснение

Прежде чем погрузиться в сложные теории, предлагается рассмотреть простое объяснение, данное студентам различных университетов. Профессора интерпретируют происходящее, исходя из явления термоэлектронной эмиссии и электроотрицательности металлов и сплавов. Как известно, первое произошло, когда была изобретена электрическая лампочка.

Исследования Эдисона стали предпосылками. Электронная лампа работает потому, что в вакууме нагретый электрод начинает испускать с поверхности носители заряда. Конечно, быстро установились лидеры в этой области, теперь поверхность электролизом покрывается нужным материалом.

Суть эффекта термоэлектронной эмиссии: носители заряда демонстрируют нулевую работу выхода из кристаллической решетки. Предполагается, что при нормальной температуре над металлической поверхностью плавает тонкое электронное облако. Но на теле образуется положительный заряд, дальше дело не идет.

В результате нагрева электрон получает энергию выхода и способен покинуть металл. Значительная интенсивность процесса наблюдается уже при температуре 1000 К. Работа выхода у металлов неодинакова, исследователи считают, что это отчасти объясняет их электроотрицательность.

Когда два образца соприкасаются, начинается процесс перераспределения. Это происходит до тех пор, пока более плотное электронное облако одного металла не уравновесит другое. Процесс кажется завершенным. Но… Зеебек только что обнаружил, что тепло наполняет заряды.

Происходят рекомбинация, слияние и распад, в результате чего на концах термопары возникает разность потенциалов. Эффект усиливается при использовании двух и более пересечений. Именно это и сделали физики в первой половине XIX века. Затем первый спай термопары нагревается, а второй охлаждается.

При нагреве смещение плотности электронных облаков двух металлов увеличивается сильнее. Следовательно, разность потенциалов растет. Энергия отводимого тока восполняется за счет тепла от источника энергии. Эффект Зеебека проявляется при любой температуре, сильно возрастает с повышением.

Термодинамическая теория эффекта Зеебека

Термодинамическая теория оперирует с общими величинами: потоками, градиентами, силами. В результате решения уравнений вы получите закон Ома о связи между током, напряжением, сопротивлением и закон Фурье — о зависимости между тепловым потоком и градиентом температуры. Вводятся специальные коэффициенты с конкретными названиями:

• изотермическая проводимость (обратная сопротивлению);
• коэффициент теплопроводности.

Полученные уравнения являются следствием наличия сразу трех эффектов: Зеебека, Пельтье и лорда Кельвина. Они в большинстве своем устанавливаются экспериментально, без участия теории. Эффект Зеебека уже достаточно рассматривался, Пельтье открыл обратный процесс образования разности температур в спае под действием тока. Эффект Томсона сложен.

Он утверждает, что при наличии градиента (разности) температур вдоль проводника тепло начинает передаваться (выделяться и поглощаться). В рамках термодинамической теории рассматриваются и доказываются следующие законы:

• Промежуточные металлы: в замкнутом контуре из разных металлов при одинаковой температуре сумма ЭДС равна нулю. Это считается выражением второго закона термодинамики. Работа не совершается без затрат энергии. Что происходит при той же температуре перехода: «Доказательство: теплопередача за счет тока невозможна из-за эффекта Пельтье.

Это приведет к нагреву в одних областях и охлаждению в других. Что означало бы перенос тепла из более холодных мест при отсутствии внешнего источника энергии. Кондиционер мог работать не от электричества, а из-за особого соединения проводов».

• Магнус: в замкнутом контуре из одного материала ток не поддерживается перепадом температур. Следствием закона стала зависимость ЭДС только от разности температур на спаях. Не нужно беспокоиться о нагреве или охлаждении внешних условий самим лидерам.
• Последовательные (промежуточные) температуры: алгебраическая сумма ЭДС по контуру в интервале от Т1 до Т3 равна объединенным алгебраическим суммам ЭДС по контуру в интервалах от Т1 до Т2 и от Т2 до Т3, при любом значения Т1, Т2 и Т3.

Все три закона доказывают, что результирующая ЭДС становится функцией только температуры спаев. Эти постулаты признаны основой для измерений, в том числе и в бытовых холодильниках. Другое толкование: термопара не обязательно состоит из двух металлов. Если необходимо измерить градиент температуры вдоль термоэлектрода, одного этого достаточно для появления ЭДС.

А другим материалом будут выводы из контактов. Так обстоит дело с вырожденной и полностью функциональной термопарой, что следует из основных уравнений термодинамической теории. Поэтому эффект прогнозируется аналитически.

Аналитические расчеты по формулам

Это делается на экране из-за сложности написания математических формул в интернет-верстке. Видно, что при отсутствии электрического тока первое уравнение термодинамической теории упрощается. Получается, что при снятии напряжения аналого-цифровым преобразователем с предельно малым током питания холодильник Bosch обходится «термопарой» из цельного металла.

Различают абсолютную и относительную ЭДС. Второй относится к паре материалов, а первый характеризует только один. Абсолютная ЭДС измеряется с помощью эталона, указанное значение которого уже было измерено другими методами (масло). Из экспериментов находится дифференциальная ЭДС, которая позволяет рассчитать искомое значение. В настоящее время признаны стандарты:

• Для относительно высоких температур (выше 100 К): платина, золото, медь, вольфрам.
• Лидировать в других делах.

При сверхнизких температурах ниже 20 К абсолютная ЭДС определяется напрямую. В некоторых материалах он становится равным нулю, и, соединив в пару с этим тестовый образец, сразу приходят к нужному значению. Для большинства металлов абсолютная ЭДС лежит в пределах от 0 до 80 мкВ/К.

Кинетическая теория

Кинетическая теория имеет дело с неравновесными состояниями в среде. Изучая их на ходу. Он основан на теории Бардина-Купера-Шриффера, которая не так хорошо известна публике. Учитывается теория вероятности, каждая частица рассматривается отдельно, вне зависимости от общих свойств системы. За что теория была названа микроскопической.

В рассмотрение вводятся следующие понятия: куперовская электронная пара, поверхность Ферми, частота Дебая и др. теория оперирует вероятностными уравнениями положения частиц, функцией Больцмана. Согласно представлениям науки начала 20 века, в каждом металле существует определенная концентрация электронов, рассеянных случайным образом, но подчиняющихся модели Больцмана. Эти различные теории были названы:

• Рак.
• Друде.
• Лоренц.
• Дебби.

Согласно модели Больцмана, средняя поступательная энергия движения частиц составляет 2/3 кТл, где к — постоянная Больцмана. Согласно этой интерпретации, термоЭДС является функцией отношения между концентрацией частиц в двух металлах термопары и их температурой (см рис.).

Нетрудно заметить, что представленная формула для металлов не соответствует реальным наблюдениям. Это делается простым вычислением ЭДС, делением значения на диапазон температур и нахождением коэффициента Зеебека. Его явно переоценивают.

Расчеты по кинетической теории

Формулы расчета

Противоречие формулы с начала 20 века было устранено теориями Френкеля и Зоммерфельда (1927). Последний поместил электроны в модель квантовой статистики Ферми-Дирака. Согласно Зоммерфельду, коэффициент Зеебека оказывается очень малой величиной. Это легко объясняется тем, что формулы кинетической теории оперируют непосредственно с концентрациями электронов, и их трудно измерить и отследить.

Полупроводники гораздо лучше подчиняются кинетической теории. Электроны из материала с более высокой плотностью диффундируют и попадают за границу раздела сред. Процесс продолжается до тех пор, пока встречное поле «эмигрантов» не уравновесит это движение с набегающим потоком.

В плане объяснения процесса кинетическая теория не отличается от рассуждений, приведенных в двух подзаголовках выше, но есть нюансы:

1. При повышенной концентрации носителей определенного знака ток уносит их к холодному концу, но уже накопленный там заряд тормозит процесс. Носители второго знака, наоборот, ускоряются полем. В результате противоположные токи на границе раздела сред станут равными, а разность потенциалов определяется величиной температуры.
2. Коэффициент диффузии тесно связан с подвижностью заряда. Эта связь была установлена ​​Эйнштейном. Таким образом, неравномерная концентрация создается градиентом температуры. Меньшие мобильные заряды образуют своеобразную пробку на собственной дороге из-за низкой скорости движения. Поле этого скопления носителей заряда приводит в движение частицы противоположного знака. В результате процесс достигает равновесия.

Наличие носителей двух характеров объясняет высокие коэффициенты Зеебека в полупроводниках. Металлы уже имеют повышенную концентрацию электронов, достигающую 10 секстиллионов на кубический сантиметр. Поэтому температурные колебания этой фигуры не могут быть большими, чем и объясняется низкий коэффициент Зеебека металлов.

Термоэлектрические процессы

В физике под этим словосочетанием понимаются процессы обратимого характера, которые связаны с явлениями переноса заряда (электрический ток) и тепла (теплопроводность). Есть три различных термоэлектрических явления, которые связаны между собой. Это эффекты:

• Зеебек;
• Пельтье;
• Томсон (Кельвин).

Отметим, что эффект Джоуля, заключающийся в выделении тепла из проводника при пропускании по нему тока, не входит в приведенный выше список, так как является необратимым процессом.

Читайте также: Виды и типы электрических схем: их классификация и назначение по ГОСТ

Открытие Томаса Иоганна Зеебека

В 1821 году эстонско-немецкий физик Томас Зеебек провел странный эксперимент: он соединил две пластины из разных материалов (висмута и меди) в замкнутый контур. Потом нагрел один из контактов. Ученый заметил, что магнитная стрелка компаса, находившаяся вблизи проводящего контура, начала менять направление.

В результате ученый определил, что два материала (медь и висмут) поляризуются по-разному в результате действия тепла, поэтому он определил обнаруженный эффект как термомагнитный, а не термоэлектрический.

Тогда датский ученый Ганс Эрстед дал правильное объяснение открытому Зеебеком эффекту, назвав его термоэлектрическим процессом.

Суть открытого эффекта

Из абзаца выше можно самостоятельно сделать вывод о том, что представляет собой это термоэлектрическое явление. Суть его в следующем: если соединить два материала между собой в цепь и подвергнуть их контакты разнице температур, в цепи потечет ток.

Обратите внимание, что для того, чтобы этот эффект наблюдался, должны быть выполнены следующие условия:

• Наличие замкнутой цепи (электрический ток не существует в разомкнутой цепи).
• Наличие контакта из двух разных металлов (если соприкасающиеся проводники выполнены из одного материала, разности потенциалов наблюдаться не будет). Этими материалами могут быть пары, такие как металл и другой металл, металл и полупроводник или два различных типа полупроводников (p и n).
• Наличие разницы температур между двумя контактами проводников. Это отличие лежит в основе явления возникновения ЭДС (электродвижущей силы). Обратите внимание, что нагревать (охлаждать) нужно именно контакт между двумя материалами, а не любой из них.

Физическое объяснение эффекта

Описанный термоэлектрический эффект представляет собой достаточно сложное явление. Чтобы понять это, рассмотрим систему, состоящую из медных и железных проводников, соединенных вместе. Учтем процессы, происходящие в зоне контакта Cu-Fe, которая нагревается.

Приобретая дополнительную кинетическую энергию, электроны в области нагрева создают более высокое «давление» электронного газа, а потому стремятся уйти из него в более холодный конец цепи. Наоборот, контакт Cu-Fe, который охлаждается, вызывает потерю кинетической энергии носителей заряда, что приводит к уменьшению создаваемого ими давления в зоне контакта.

Последнее обстоятельство приводит к притяжению свободных носителей заряда в холодную область.

Если бы соприкасающиеся металлы были одинаковыми, то дрейфовые скорости электронов вследствие разности температур были бы одинаковыми, а их направления в каждом проводнике были бы противоположными, т е не возникало бы разности потенциалов.

Но так как металлы разной природы, то и реагируют они на нагрев по-разному (различно изменение «давления» электронов и скорости их движения у Fe и Cu). Это является причиной появления ЭДС в зоне контакта.

Отметим, что для объяснения физики процесса использовалась аналогия с идеальным газом.

Направление возникающего теплового тока, как и его величина, определяются природой металлов, разностью температур контактов, а также особенностями самой электрической замкнутой цепи.

Если рассматривать физику процесса для пары металл-полупроводник, то она не будет отличаться от рассматриваемой пары металл-металл. Приложение разности температур к двум контактам металл-полупроводник индуцирует в последних поток электронов (n-типа) или дырок (p-типа) из горячей области в холодную, что приводит к возникновению разности потенциалов.

Если разность температур не поддерживается за счет отвода тепла из холодной зоны и подвода его к горячему контакту, в цепи быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и ток перестает течь.

Математическое описание рассматриваемого явления

Выяснив, что такое эффект Зеебека, можно перейти к вопросу о его математическом описании. Здесь основной величиной является так называемый коэффициент Зеебека. Он выражается формулой:

SAB = (V2-V1)/(T2-T1) = ∆V/∆T.

Здесь V2 и V1 — значения электрических потенциалов в области горячего и холодного контактов, Т2-Т1 — разность температур этих контактов, А и В — два материала в рассматриваемой замкнутой цепи.

Физический смысл коэффициента САБ заключается в том, что он показывает, какую ЭДС можно получить, если приложить к контактам разность температур в 1 Кельвин. Типичные значения SAB для современных термоэлектрических материалов составляют десятки или сотни микровольт на кельвин.

Коэффициент SAB не является постоянной величиной для проводников А и В, он зависит от температуры.

КПД процесса

Это наиболее интересный и актуальный вопрос, касающийся рассматриваемого термоэлектрического эффекта. Если электричество можно генерировать, прикладывая к цепи разность температур, то это явление можно использовать вместо обычных генераторов, основанных на электромагнитной индукции. Этот вывод верен, если эффективность эффекта Зеебека достаточно высока.

Для оценки эффективности принято использовать следующие выражения:

Z*T = (SAB)2*T/(ρ*λ).

Здесь ρ — удельное электрическое сопротивление, λ — коэффициент теплопроводности, Z — коэффициент полезного действия термоэлектрического явления.

Несложно понять это выражение: чем больше коэффициент Зеебека, тем выше подвижность носителей заряда (меньше сопротивление) и ниже теплопроводность материала (помогает выровнять градиент температуры за счет переноса заряда и за счет движение фононов решетки), тем выше будет производительность схемы как генератора электроэнергии.

Значения Z*T для металлов обычно низкие, потому что значение λ велико. С другой стороны, изоляторы также не могут быть использованы из-за их огромных значений ρ. Золотой серединой стало использование полупроводников.

В настоящее время получены значения Z*T≈1 для разных температур, что означает следующее: ок. 10 % потребляемого тепла преобразуется в электрическую энергию (КПД = 10 %). Чтобы этот эффект по эффективности производства электроэнергии мог конкурировать с современными способами производства, необходимо разработать материалы, для которых Z*T будет 3-4.

Где используют этот эффект

Наиболее популярно использование в приборах для измерения температуры, называемых термопарами. Если известна температура одного конца термопары (комнатная температура), то неизвестную величину легко найти, погрузив другой конец в тело, температуру которого необходимо определить, и измерив результирующую ЭДС.

Согласно последним новостям, две немецкие автомобильные компании (Volkswagen и BMW) говорят, что начали использовать этот эффект для повышения эффективности бензинового двигателя. Идея состоит в том, чтобы использовать тепло, выделяемое выхлопной трубой, для получения термоэлектричества. По словам представителей этих компаний, таким образом им уже удалось снизить расход бензина на 5 %.

Зонды серии «Вояджер», чья миссия состоит в изучении окружающего нас пространства, используют эффект Зеебека для питания своей электроники. Дело в том, что солнечные батареи нельзя использовать за пределами орбиты Марса из-за низкой плотности энергии от Солнца.

На борту «Вояджера» установлен термоэлектрический генератор изотопа плутония: радиоактивный оксид плутония распадается с выделением тепла, которое используется парой полупроводниковых материалов (SiGe) для преобразования в электричество.

Спиновый эффект

Недавно ученые обнаружили интересное явление: если нагреть магнитный контакт пары Ni-Fe, спины электронов по всему материалу ориентируются определенным образом, что создает магнитное поле. Это явление называется спиновым эффектом Зеебека. Его можно использовать для создания магнитных полей без участия электрического тока.

Эффект Пельтье

Так называется явление, открытое в 1834 году французом Жаном Пельтье. Суть его заключается в том, что если через контакт разных материалов пропустить электрический ток, то он будет либо нагреваться, либо охлаждаться в зависимости от направления движения носителей заряда.

Он используется в так называемой ячейке Пельтье, которая способна нагревать или охлаждать окружающие предметы, например воду, при подключении к разности потенциалов (электрической цепи).

Таким образом, эффекты Пельтье и Зеебека обратны друг другу.

Эффект Томсона (Кельвина)

Он также включен в список термоэлектрических явлений. Оно было открыто лордом Кельвином (Уильямом Томсоном) в 1851 году. Оно объединяет явления, наблюдаемые Пельтье и Зеебеком.

Суть эффекта Томсона заключается в следующем: если на концах проводника создать разную температуру, а затем приложить к ним напряжение, то проводник начнет обмениваться теплом с окружающей средой. То есть он может его не только выделять, но и поглощать, что зависит от полярности потенциалов и разности температур на концах.