|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Зеебека эффект |
 | |
Анимация
Описание
Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток IT), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1).
Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов
Рис. 1
Цепь, составленная из двух различных проводников (М1, М2), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви - термоэлектродами.
Величина термоэдс (εТ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA , TB), разности этих температур DT и от природы материалов, составляющих термоэлемент.
Термоэдс контура определяется формулами:
deТ = a12dT;
.
Здесь a12 - коэффициент термоэдс металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину a измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами.
Значения коэффициентов термоэдс металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно a1 и a2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда a12 = a1 - a2.
В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0°С .. 100°С):
eТ = a12 (TA - TB) = a12 DT.
Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением a к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М1) - константан (М2) абсолютные коэффициенты термоэдс соответственно равны: a1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и a2= -38.0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1). Именно эта ситуация (когда a2<a1) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 1.
Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур. В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака a.
Термоэдс обусловлена тремя причинами:
1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;
2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс;
3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую - фононную.
Рассмотрим первую причину. Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс (
):
;
,
где EF - энергия Ферми;
к - постоянная Больцмана;
е - заряд электрона.
Для свободных электронов aк должно линейно меняться с температурой.
Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах 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 возникнет электрическое поле ЕТ, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 2).
Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствиии пространственной неоднородности температуры
Рис. 2
Напряженность возникающего термоэлектрического поля определяется градиентом температуры вдоль образца (ЕТ=aЧdT/dx), а разность потенциалов (термоэдс) - разностью температур (DjТ =aDТ).
Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.
В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.
Третий источник термоэдс - эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, 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 термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим.
Необходимо отметить, что "фононное" и "диффузное" слагаемые термоэдс имеют один и тот же знак, в то время как контактная термоэдс, как правило, противоположна им по знаку.
Строгий вывод термоэдс из кинетического уравнения достаточно сложен. Вообще, причина всех термоэлектрических явлений - нарушение теплового равновесия в потоке (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от ее значения на уровне Ферми). Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа) имеет вид:
.
Считая, что зависимость проводимости металлов (s) от энергии (Е) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:
.
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 термоэдс "классических" металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников a может превышать 1000 мкВ/К.
Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0°С .. 100°С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).
|
|
Таблица 1 |
|
Металл |
a, мкВ/К |
|
Платина |
-4.4 |
|
Олово |
-0.2 |
|
Свинец |
0.0 |
|
Серебро |
+2.7 |
|
Медь |
+3.2 |
|
Сурьма |
+4.3 |
Приведенные данные не следует считать абсолютно достоверными, так как величина термоэдс зависит от чистоты материала и очень чувствительна к внешним механическим и химическим воздействиям.
Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.
Помимо эффекта Зеебека, к термоэлектрическим явлениям относят эффект Пельтье, обратный явлению Зеебека и эффект Томсона.
Коэффициент термоэдс a связан с коэффициентами Пельтье (p) и Томсона (t) соотношением:
.
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.
Эффект открыт в 1821 г. Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck).
Ключевые слова
Разделы наук
Термоэлектрические явленияПолупроводники
Электрический ток в твердых телах
Электрическое поле
Твердые тела
Термодинамика
Применение эффекта
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 (рис.4). При этом, все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные - при другой. Эдс такой батареи равна сумме термоэдс отдельных элементов.
Термобатарея
Рис. 4
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.
Реализации эффекта
Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.
На рис. 3 показаны схемы включения термопары в измерительную цепь:
а) измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1;
б) измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; ТА и ТВ - температуры соответственно "горячего" и "холодного" контактов термопары.
Типичная схема включения термоэлектрического датчика с термостатированным контактом
Рис. 3а
Типичная схема включения термоэлектрического датчика с с нетермостатированным "холостым" контактом
Рис. 3б
При измерении температуры один из контактов обычно термостатируется (обычно при 273 К - с помощью тающего льда).
Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от гелиевых, до нескольких тысяч градусов. В таблице 2 приведены материалы термоэлектродов, из которых обычно делаются термопары, используемые для разных температурных областей.
|
Таблица 2 |
|
|
Диапазон температур, К |
Материалы термоэлектродов |
|
4..270 |
Золото - медь |
|
70..800 |
Медь - константан |
|
220..900 |
Хромель - копель |
|
220..1400 |
Хромель - алюмель |
|
250..1900 |
Платинородий - платина |
|
300..2800 |
Вольфрам - рений |
В зависимости от назначения термопары бывают: стационарные и переносные, с влагонепроницаемой, взрывобезопасной, герметичной оболочкой и без нее, виброустойчивые и др.
Литература
1. Физическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - Т. 2. - С. 76-77; Т. 5. - С. 98-99.
2. Электроника. Энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1991. - С. 530-541, 544-545.
3. Сивухин С.Д. Общий курс физики. - М.: Наука, 1977. - Т. 3. Электричество. - С. 481-487.
4. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. - М., 1967. - С. 75-83, 292-311.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |