Эффект Зеебека

• Введение
• 1. Первооткрыватель явления термоэлектричества
• 2. Общие сведения о возникновении электродвижущей силы
• 3. Понятие термоэлектрического эффекта Зеебека
• 4. Применение эффекта Зеебека
• Заключение
• Список использованной литературы

Возможно, нас ждут новые месторождения нефти и угля и таких мало разведанных районах, как Австралия, Сахара или Антарктика. Кроме того, интенсивно разрабатываются и осваиваются новые технологии добычи угля из тонких и глубоких пластов, а также нефти из морских месторождений.

Нет сомнения в том, что будут разработаны принципиально новые, более эффективные способы использования ископаемых видов топлива. Традиционный многоступенчатый процесс, когда топливо сжигают, чтобы получить водяной пар, который направляется на вращение турбины генератора, вырабатывающего электричество, сопряжен с огромными потерями энергии. Большей части этих потерь можно избежать, если научиться превращать тепло непосредственно в электричество. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Т. Зеебек в далеком 1823 году. Плотно соединив провода двух разных металлов в замкнутую цепь и нагрев место стыка, он заметил, как дрогнула стрелка, находившегося рядом компаса. Это означало, что под действием тепла в цепи возникал электрический ток (термоэлектричество). Однако сам автор неверно истолковал результаты собственного опыта, и о его открытии надолго забыли.

Однако с появлением полупроводниковых материалов и технологий забытый эффект Зеебека снова привлек внимание ученых. И в результате были разработаны термоэлектрические устройства на основе полупроводниковых материалов. При нагревании одного конца полупроводника в нем появляется электрический потенциал: в полупроводнике р-типа на холодном конце возникает отрицательный заряд, а в n-электроде — положительный. Если два этих электрода соединить в форме U-образной конструкции с n-р-переходом в нижней части, то нагревание этого стыка приведет к тому, что на верхнем конце р-электрода будет накапливаться отрицательный заряд, а на верхнем конце n-злектрода — положительный.

В итоге между ними потечет электрический ток, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока поддерживается разность температур. (И наоборот, пропускание через термоэлемент электрического тока вызывает поглощение тепла и понижение температуры, поэтому его можно использовать в качестве холодильного устройства.)

Термоэлектрический элемент — очень компактный, не требующий ни дорогостоящего генератора, ни громоздкого парового двигателя — можно легко установить практически в любом месте и пользовать в качестве удобного источника энергии. Все, что ему требуется, — это внешний обогреватель, например керосинная горелка.

эффект термоэлектрический зеебек ток

1. Первооткрыватель явления термоэлектричества

Зеебек (Seebek) Томас Иоганн (9. IV.1770 — 10. XII.1831) — немецкий физик, член Берлинской АН (1814) Р. в Ревеле (теперь Таллин). Учился в Берлинском и Гёттингенском унтах, в последнем получил в 1802 степень доктора. Работал в Йене, в 20-х годах в Берлине.

Работы посвящены электричеству, магнетизму, оптике. Открыл в 1821 явление термоэлектричества (в паре «медь — висмут»), построил термопару и использовал ее для измерения температуры. Первый применил железные опилки для определения формы силовых линий магнитного поля. Изучал магнитное действие тока, хроматическую поляризацию и распределение тепла в призматическом спектре. Обнаружил поляризационные свойства турмалина (1813). Переоткрыл инфракрасные лучи, круговую поляризацию, намагничивание железа и стали вблизи проводника с током.

В 1821 году берлинский учёный член Берлинской Академии наук Зеебек (1770−1831) решил воспроизвести опыт Эрстеда по воздействию постоянного электрического тока на магнитную стрелку. Но источником тока была не гальваническая батарея, а сухой без какого-либо электролита контакт двух металлов. Зеебек установил, что магнитная стрелка реагировала только в тот момент, когда экспериментатор прикасался к месту контакта руками. Причём не играло никакой роли, были ли руки сухими или влажными. Эффект отсутствовал даже в том случае, когда контакт сжимался руками через влажную бумагу. Но при сжатии через стекло или металл стрелка отклонялась. Проведя многочисленные эксперименты, Зеебек убедился, что суть явления в тепле рук, которыми этот контакт сжимался. Поэтому этот эффект был назван термомагнитным.

Эти эксперименты были вскоре подтверждены Эрстедом и Фурье. Выяснилось, что элемент Зеебека не только создаёт магнитное поле, но и способен разлагать химические соединения. Этим он уподобляется химическому источнику тока. Поэтому это явление было названо термоэлектричеством.

Но сам первооткрыватель этого явления с таким толкованием не соглашался. Сам он занимался теорией земного магнетизма, а этот феномен он объяснял разностью температур между экватором и земными полюсами. В этих экспериментах учёный видел подтверждение своей точки зрения. Он считал, что именно токи, возникающие вследствие открытого им эффекта и порождают магнитное поле.

Надо отдать должное берлинскому профессору. Он сам, проведя множество экспериментов, накопил массу неопровержимого материала, который не только заставил его отказаться от своей гипотезы, но и предоставил науке много новых фундаментальных данных.

Зеебек достиг немалых результатов в физической оптике, физической химии и других науках, но известность учёному принес вышеописанный эффект, носящий его имя.

Эффект Зеебека — переход электрической энергии в тепловую и обратно — нашёл широкое применение в технике. На его основе работают термопреобразователи — термопары.

Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия, которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770−1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рис.1), образующих часть одной и той же цепи.

Рис. 1

Термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термо ЭДСтермопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

2. Общие сведения о возникновении электродвижущей силы

В металлах полупроводниках процессы переноса зарядов (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока — электронов проводимости и дырок. Эта взаимосвязь обуславливает ряд явлений (Зеебека, Пельтье, и Томсона), которые называют термоэлектрическими явлениями.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой электрической цепи из разнородных металлов возникает термо э. д. с. если места контактов поддерживаются при разных темпера — турах. Эта ЭДС зависит только от температуры и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термо э. д. с. для пар металлов может достигать 50 мкВ/градус; в случае полупроводниковых материалов величина термо э д с выше (10 во 2-ой + 10 в 3-ей мкВ/градус).

Электротермический способ дефектоскопии, заключающийся в том, что контролируемую зону нагревают, пропуская через нее в течение определенного времени постоянный по величине электрический ток, измеряют при помощи термопары-датчика температуры ее нагрева и судят о наличии дефекта по отклонению этой температуры от температуры нагрева бездефектной зоны сварного соединения, отличающийся тем, что с целью контроля зоны сварного соединения двух разных металлов, например, контактных узлов радиодеталей, в качестве термопары-датчика используют термопару, образованную соединенными металлами.

Для проверки качества сварного шва снимают распределение термоэлектрического потенциала поперек шва. Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности шва, а их величина — о степени неоднородности. Быстро и наглядно.

Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников любого состава, все спаи (контакты) которых поддерживаются при одной и той же температуре, то термо э. д. с. в такой системе будет равна термоэдс исходного элемента.

Термопара, содержащая защитный чехол, термоэлектроды с электрической изоляцией, рабочие концы, которых снабжены, снабжены токопроводящей перемычкой, образующей измерительный спай, отличающийся тем, что с целью увеличения срока службы термопары в условиях повышенной вибрации и больших скоростей нагрева, измерительный спай термопары выполнен в виде слоя порошкообразного металла, расположенного на дне защитного чехла.

При измерении физического состояния веществ, участвующих в контакте изменяется и величина термо э. д. с.

Способ распознавания систем с ограниченной и неограниченной взаимной растворимостью компонентов по температурной зависимости термо э. д. с., отличающейся тем, что с целью повышения надежности распознавания измеряют термо э. д. с. кон — такта двух исследуемых образцов Между металлом, сжатым всестороннем давлением, и тем же металлом, находящемся при нормальном давлении тоже возникает термо э. д. с.

Например, для железа при температуре 100 градусов С и давлении 12 кбар, термоэдс равна 12,8 мкВ. При насыщении металла или сплава в магнитном поле относительно того же вещества без магнитного поля возникает термоэдс порядка 09мкВ/градус

3. Понятие термоэлектрического эффекта Зеебека

Если прохождение тока в замкнутой цепи вызывает нагревание одних и охлаждение других спаев, то нагревание одних и охлаждение других контактов приводит к появлению тока в цепи (эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект) в отсутствие внешнего источника.

Пусть температура Т₀ во всех точках однородного металлического стержня (рис.2) одинакова; значит, повсюду одинаковы концентрации, средние энергии и скорости свободных электронов.

Рис. 2

При этом через любое сечение 1−1 стержня за единицу времени проходит одинаковый поток электронов слева направо и справа налево.

Нагреем один конец стержня и будем его поддерживать при постоянной температуре Т>Т₀. Противоположный же конец будем непрерывно охлаждать так, чтобы его температура Т₀ оставалась неизменной. Тогда в стержне установится градиент температуры, и через него будет идти постоянный поток тепла. Перенос тепла в металлах осуществляется в основном движением свободных электронов. При этом электроны, проходящие через сечение 1−1 из области с более высокой температурой, переносят с собой больше энергии, чем электроны, проходящие через то же сечение в противоположном направлении. Вследствие различия скоростей электронов, находящихся в областях с различными температурами, окажется различным и число электронов, проходящих через сечение 1 — 1 в противоположных направлениях. Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль стержня создает постоянную разность потенциалов на его концах, величина которой пропорциональна градиенту температуры.

Если спаять в одном месте два разнородных металла 1 и2, и нагреть спай до некоторой температуры Т, превышающей температуру обоих концов Т₀ (рис. 3, а), то из-за различного падения потенциала обоих металлов и их электронных концентраций потенциалы свободных концов будут различны, и между металлами возникнет разность потенциалов U. Если нагреть такой спай до другой температуры Т' (рис. 3, б), то между свободными концами установится другое значение разности потенциалов U'.

Рис. 3

Соединяя свободные концы одинаковых металлов (как показано на рис. 3 пунктиром), мы видим, что в замкнутой цепи из двух разнородных металлов возникает электродвижущая сила

если между спаями поддерживается постоянный перепад температур. Эта величина называется термоэлектродвижущей силой (термоэдс) и создает в замкнутой цепи (рис.4) постоянный электрический ток.

Рис. 4.

Производная

характеризует возрастание термоэдс для данной пары металлов при нагревании одного из спаев на 1° и обычно весьма мала. Для пар железо — медь, железо — константан, широко применяемых в технике при измерении температур, е_{1, 2} имеет порядок 50 мкв/град. Для высокотемпературной пары платина-платинородиевый сплав этот коэффициент примерно в 10 раз меньше.

Измеряя величину термоэдс, можно определить разность температур между спаями, помещенными в различные резервуары. Для таких практических применений подбирают термопары, у которых коэффициент е_1,2 в широком интервале температур остается практически постоянным. В этом случае э. д. с. прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев:

е_1,2 = const и .

Необходимо подчеркнуть принципиальную разницу между контактной разностью потенциалов и термоэлектрическими явлениями. Контактные потенциалы имеют сравнительно большую величину (порядка нескольких вольт) и характеризуют электрическое поле вне проводников между наружными поверхностями последних. Контактная разность потенциалов есть статический эффект, не исчезающий и при абсолютном нуле температуры. В противоположность этому термоэлектрические явления представляют собой чисто кинетические эффекты, наблюдаемые при наличии потоков тепла или заряда (т.е. тока). Возникающие при этом разности потенциалов по абсолютной величине малы (доли милливольта). При абсолютном нуле количество электронов n', обусловливающих эти эффекты, равно нулю и все термоэлектрические явления исчезают.

Постоянство е_1,2 и линейная зависимость соблюдаются далеко не всегда и не во всем интервале температур. Для ряда систем с повышением температуры горячего спая термоэдс изменяется не монотонно, сначала возрастает, а затем убывает и даже переходит через нуль (точка инверсии). Кроме того, величина термоэдс (и коэффициента Пелътье) чувствительна к внешним механическим воздействиям, искажающим структуру металла и энергетические уровни электронов. Поэтому применяемые в технике и для научных исследований термопары всегда нуждаются в тщательной индивидуальной градуировке.

В электрических схемах и приборах всегда имеются спаи или контакты различных по своему составу и обработке проводников. При колебаниях температуры окружающей среды в этих местах контактов возникают неконтролируемые блуждающие термоэдс. Вследствие малости этих термоэдс они обычно не сказываются на работе приборов, но при очень точных и тонких измерениях необходимо учитывать и предотвращать возможность подобных влияний.

С другой стороны, термоэдс имеет широкое полезное практическое применение, как простой электрический метод измерения температур. При подобных намерениях с помощью термопар или термоэлементов одни из спаев поддерживается при вполне определенной постоянной температуре T₀ (например, помещается в тающий лед) и измеряется идущий в замкнутой цепи термоток

с помощью гальванометра, как это изображено на рис. 5.

Рис. 5.

В более грубых технических термопарах один из спаев имеет просто температуру окружающей среды. Для повышения чувствительности термоэлементов их соединяют последовательно в термобатарею (рис.6).

Рис. 6.

При прецизионных измерениях предпочтительнее измерять не термоток, а непосредственно термоэдс, компенсируя ее известной электродвижущей силой.

4. Применение эффекта Зеебека

Явление Зеебека не противоречит второму началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта). Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного — непрерывно ее отводить.

Явление Зеебека используется для измерения температуры. Для этого применяются термоэлементы, или термопары — датчики температур, состоящие из двух соединенных между ним с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный слой, составляет примерно 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина — с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т. е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1>2 и 2>1) одинаково не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.

С помощью явления Зеебека, помимо температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: силы переменного тока, потока лучистой энергии, давления газа и т. д.

Для увеличения чувствительности термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи. При этом, все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные — при другой. Эдс такой батареи равна сумме термоэдс отдельных элементов.

Миниатюрные термобатареи (так называемые термостолбики) с успехом применяют для измерения интенсивности света (как видимого, так и невидимого). В соединении с чувствительным гальванометром они обладают огромной чувствительностью: обнаруживают, например, тепловое излучение человеческой руки.

Термобатарея представляет интерес и как генератор электрического тока. Однако использование металлических термоэлементов неэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы.

Создание высокоэффективных термоэлектрических преобразователей энергии является одной из актуальных технических задач. Фундаментальные и прикладные исследования, направленные на её решение, ведутся как в университетских лабораториях, так и в исследовательских центрах фирм занимающихся производством электроники, автоматики и другой высокотехнологичной продукции. Работы ведутся в различных направлениях, начиная от исследования термоэлектрических свойств гетероструктур и заканчивая созданием термоэлектрических приборов, которые находят все более широкое применение в быту, на транспорте, в энергетике. Применение термоэлектрических преобразователей энергии связано с генерацией электрического тока, использованием в холодильниках, кондиционерах, регуляторах температуры, осушителях и т. п. В мире наблюдается непрерывный рост интереса к термоэлектрическим устройствам. Постоянно наращиваются объемы выпускаемых термоэлементов и приборов на их основе. Это обусловлено тем, что существуют направления, в которых преимущества термоэлектрических способов преобразования энергии являются неоспоримыми. В первую очередь — это электропитание автоматов, использующихся для исследования дальнего космоса, автономные устройства сейсмической разведки, обустройство катодной защиты нефте — и газопроводов. На мировом рынке постоянно растет спрос на термоэлектрические материалы и термоэлектрические преобразователи различного назначения.

В связи с этим в лаборатории термоэлектрического материаловедения проводятся экспериментальные и прикладные исследования в следующих направлениях:

Исследование закономерностей изменения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура в зависимости от количества и типа легирующей примеси с целью определения химического состава кристаллов с аномалиями в величине ряда физических величин, обусловленных интенсивным электрон-плазмонным взаимодействием.

Исследование зависимости величины коэффициентов электро — и теплопереноса в легированных кристаллах полупроводников.

Определение химического состава кристаллов, обладающих максимальной термоэлектрической эффективностью.

Создание опытных образцов термоэлектрических преобразователей энергии для широкого диапазона температур.

Определение оптимальных условий процесса выращивания кристаллов термоэлектрических материалов, на основе полуметаллов висмута, сурьмы и их сплавов методом зонной плавки.

Изучение влияния взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной системы кристалла на величину термоэлектрической эффективности материала.

Определение факторов влияния на характеристики электронной системы кристалла, способствующих координации потоков тепловой и электрической энергии.

Исследование влияния электрон-плазмонного взаимодействия на физические свойства широкого класса высоколегированных полупроводников, таких, как соединения A3B5, A2B6, Bi2Te3 и др.

Заключение

Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.

С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения температур. Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс.

1. Зисман Г. А. Курс общей физики. — М.: Наука, 1972, 366 с., ил.

2. Трофимова Т. И. Курс физики. — М.: Высшая школа, 1990. — 480с., ил.

3. И. В. Савельев Курс общей физики, т. II. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. — 2-е издание, переработанное (М., Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1982) с.233−235.