Seebeck ефект: описание, обяснение и употреба

Основният метод за производство на големи количества електроенергия в момента се извършва поради феномена на електромагнитна индукция, който включва механичното движение на проводник в магнитно поле. Има обаче друг начин да се получи този вид енергия: използвайки температура. За да се разбере същността на този процес, трябва да се обмисли ефекта на Seebeck.

Термоелектрически процеси

Във физиката тази фраза се отнася до процесите с обратима природа, които са свързани с явленията на пренос на заряд (електрически ток) и топлина (топлопроводимост). Има три различни термоелектрически явления, които са взаимосвързани. Това са ефекти:

• Зеебек;
• Пелтие;
• Томсън (Келвин).

Забележете, че ефектът на джаула, който е излъчване на проводник на топлина, когато ток минава през него, не е включен в списъка по-горе, тъй като е необратим процес.

Откриване на Томас Йохан Зеебек

През 1821 г. естонско-германският физик Томас Зейбек провежда един интересен експеримент: свързва две плочи между тях, които са направени от различни материали (бисмут и мед) в затворен контур. После нагрява един от контактите. Ученият забелязал, че магнитната игла на компаса, която се намирала в близост до проводящата верига, започнала да променя посоката си. В резултат на това ученият решил, че двата материала (мед и бисмут) са поляризирани по различен начин в резултат на действието на топлината, затова той определи отворения ефект като термомагнитен, а не термоелектрически.

Впоследствие датският учен Ханс Ерстед даде правилното обяснение на ефекта, открит от Seebeck, наричайки го термоелектрически процес.

Същността на отворения ефект

От горния параграф е възможно самостоятелно да се заключи, че това е термоелектрическо явление. Нейната същност е следната: ако свържете два от всеки материал един в друг в една верига и подложите контактите си на температурни разлики, то ток ще тече във веригата.

Имайте предвид, че за да се наблюдава този ефект, трябва да бъдат изпълнени следните условия:

• Наличието на затворена верига (електрически ток не съществува в отворената верига).
• Наличието на контакт от два различни метала (ако проводниците, вкарани в контакт, са направени от един и същ материал, тогава няма да се наблюдава разлика в потенциала). Тези материали могат да бъдат такива двойки като метал и друг метал, метал и полупроводник, или два полупроводника от различни типове (р и п).
• Наличието на температурна разлика между двата контакта на проводниците. Тази разлика е в основата на явлението ЕМП (електромоторна сила). Имайте предвид, че това е контактът на двата материала, които трябва да се загряват (охлаждат), а не някой от тях.

Физическо обяснение на ефекта

Описаният термоелектрически ефект е доста сложно явление. За да го разберете, помислете за система, състояща се от медни и железни проводници, свързани помежду си. Обърнете внимание на процесите, които се случват в зоната на контакт на Cu-Fe, който се нагрява. Чрез придобиване на допълнителна кинетична енергия, електроните в нагряващата област създават по-високо "налягане" на електронния газ и следователно са склонни да излизат от него към по-хладния край на веригата. Напротив, контактът Cu-Fe, който се охлажда, причинява загуба на кинетичната енергия на носителите на заряд, което води до намаляване на налягането, което те създават в контактната зона. Последният факт води до привличане на свободни носители на заряд в студения регион.

Ако металите в контакта са едни и същи, тогава скоростите на дрейфа на електрона в резултат на температурната разлика ще бъдат същите, а посоките им във всеки проводник ще бъдат противоположни, т.е. няма потенциална разлика. Но тъй като металите имат различна природа, те реагират по различен начин на топлината (промяната в "налягането" на електроните и скоростта на тяхното отклонение са различни за Fe и Cu). Това е причината за появата на ЕМП в контактната зона.

Имайте предвид, че при обяснение на физиката на процеса е използвана аналогия с идеален газ.

Посоката на възникващия топлинен ток, както и нейната величина, се определя от естеството на металите, температурната разлика на контактите, както и от характеристиките на самата електрическа затворена верига.

Ако разгледаме физиката на процеса за двойка метал-полупроводник, тя няма да се различава от тази за разглежданата метало-метална двойка. Прилагането на температурна разлика към два метални контакта с полупроводник в последния причинява поток от електрони (n-тип) или отвори (р-тип) от горещия към студения район, което води до появата на потенциална разлика.

Ако температурната разлика не се поддържа поради отвеждане на топлината от студената зона и подаването й към горещия контакт, тогава термодинамичното равновесие бързо се установява във веригата и токът спира да тече.

Математическо описание на разглеждания феномен

Разбрал какво е ефектът на Seebeck, можете да преминете към въпроса за неговото математическо описание. Тук основното количество е т. Нар. Коефициент на Seebeck. Тя се изразява с формулата:

S _AB = (V ₂ -V ₁ ) / (T ₂ -T ₁ ) = ΔV / ΔT.

Тук V ₂ и V ₁ са стойностите на електрическите потенциали в областта на горещите и студените контакти, Т2-Т1 са температурните разлики на тези контакти, А и В са два материала на разглежданата затворена верига.

Физическият смисъл на коефициента S _AB е, че той показва какъв вид еф може да се получи чрез прилагане на температурната разлика към контактите, равна на 1 келвин. Типичните стойности на S _AB за съвременните термоелектрически материали са няколко десетки или стотици микроволта на келвин.

Коефициентът S _AB не е константа за проводници А и В, зависи от температурата.

Ефективност на процеса

Това е най-интересният и актуален въпрос, който се отнася до разглеждания термоелектрически ефект. Ако чрез прилагане на температурна разлика към веригата е възможно да се произведе електричество, тогава това явление може да се използва вместо обикновени генератори на базата на електромагнитна индукция. Това заключение е вярно, ако ефективността на ефекта на Seebeck е достатъчно висока.

За оценка на ефективността е обичайно да се използва следният израз:

Z * T = (S _AB ) ² * T / (ρ * λ).

Тук ρ е електрическото съпротивление, λ е коефициентът на топлопроводимост, Z е коефициентът на ефективност на термоелектричното явление.

Този израз е лесен за разбиране: колкото по-голям е коефициентът на Seebeck, толкова по-голяма е мобилността на носителя (по-малко съпротивление) и колкото по-ниска е топлопроводимостта на материала (помага за изравняване на температурния градиент чрез прехвърляне на заряда и движението на решетъчните фонони), толкова по-висока е производителността на веригата като генератор на електроенергия. ,

Стойностите на Z * T за метали обикновено са ниски, тъй като λ е голям. От друга страна, изолаторите също не могат да се използват поради огромните им р стойности. Златна среда е използването на полупроводници.

В момента за различни температури се получават стойностите на Z * T≈1, което означава следното: приблизително 10% от изразходваната топлина се превръща в електрическа енергия (ефективност = 10%). За да може този ефект да се конкурира със съвременните начини за производство на електроенергия, е необходимо да се разработят материали, за които Z * T ще бъде 3-4.

Когато се използва този ефект

Най-популярната посока на използването му са инструменти за измерване на температурата, наречени термодвойки. Ако температурата на единия край на термодвойката е известна (стая), тогава чрез потапяне на втория му край в тялото, чиято температура трябва да се определи, и измерване на получената ЕРС, лесно може да се намери неизвестна стойност.

Според последните новини, две немски автомобилни компании (Volkswagen и BMW) заявяват, че са започнали да прилагат този ефект, за да повишат ефективността на бензиновия двигател. Идеята е да се използва топлината, излъчвана от изпускателната тръба, за генериране на термоелектричество. Според представители на тези компании по този начин те са успели да намалят пробега на газ с 5%.

Серията сонда Voyager, чиято мисия е да изследва пространството около нас, използва ефекта на Seebeck за задвижване на електрониката си. Факт е, че слънчевите батерии извън орбитата на Марс не могат да се използват поради ниската енергийна плътност от Слънцето. На борда на Voyager е инсталиран термоелектрически генератор на плутониеви изотопи: радиоактивният плутониев оксид се разлага с отделянето на топлина, която се използва от двойка полупроводникови материали (SiGe) за преобразуване в електричество.

Спин ефект

Напоследък учените са открили интересно явление: ако магнитният контакт на Ni-Fe двойката се загрява, електронните завъртания в целия материал са ориентирани по определен начин, което създава магнитно поле. Това явление се нарича ефект на спин Seebeck. Може да се използва за създаване на магнитни полета без участието на електрически ток.

Ефект на Пелтие

Това е името на явлението, открито през 1834 г. от французина Жан Пелтие. Нейната същност е в това, че ако електрическият ток преминава през контакта на различни материали, той ще се нагрее или охлажда в зависимост от посоката на движение на носителите на заряда. Използва се в така наречената клетка на Пелтие, която е в състояние да затопля или охлажда околните обекти, например вода, когато е свързана с потенциална разлика (електрическа верига).

Така ефектите на Пелтие и Зейбек са противоположни един на друг.

Thomson Effect (Келвин)

Той е включен и в списъка на термоелектрическите явления. Тя е открита от лорд Келвин (William Thomson) през 1851 година. Той съчетава явленията, наблюдавани от Пелтие и Зеебек. Същността на ефекта на Томсън е следната: ако в краищата на проводника се създаде различна температура и след това към тях се приложи напрежение, проводникът ще започне да обменя топлина с околната среда. Тоест, той може не само да го разпредели, но и да го абсорбира, което зависи от полярността на потенциалите и температурната разлика в краищата.

Разликата на този ефект от предишните две е, че той се изпълнява на един, а не на два различни проводника.

Всичките три термодинамични ефекта са математически свързани помежду си.