Термоэлектрический эффект является прямым преобразованием температурных разностей к электрическому напряжению , и наоборот с помощью термопары . [1] Термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда с каждой стороны разная температура. И наоборот, когда напряжение прикладывается к нему, тепло будет передано от одной стороны к другой, создавая разность температур. В атомном масштабе приложенный градиент температуры заставляет носители заряда в материале диффундировать с горячей стороны на холодную.
Этот эффект можно использовать для выработки электричества , измерения температуры или изменения температуры объектов. Поскольку направление нагрева и охлаждения зависит от приложенного напряжения, термоэлектрические устройства можно использовать в качестве регуляторов температуры.
Термин «термоэлектрический эффект» включает в себя три отдельно , определенные эффекты: эффект Зеебека , эффект Пельтье и эффект Томсона . Эффекты Зеебека и Пельтье - разные проявления одного и того же физического процесса; учебники могут называть этот процесс эффектом Пельтье-Зеебека (разделение происходит из независимых открытий французского физика Жана Шарля Атаназа Пельтье и физика из балтийских немцев Томаса Иоганна Зеебека ). Эффект Томсона является продолжением модели Пельтье-Зеебека и приписан лорду Кельвину .
Джоулева нагревание , тепло, которое генерируется всякий раз, когда ток проходит через проводящий материал, обычно не называют термоэлектрическим эффектом. Эффекты Пельтье-Зеебека и Thomson являются термодинамически обратимым , [2] , тогда как джоулева тепла нет.
Эффект Зеебека
Эффект Зеебека - это электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает в двух точках электропроводящего материала, когда между ними существует разница температур. ЭДС называется ЭДС Зеебека (или термо / термическая / термоэлектрическая ЭДС). Отношение между ЭДС и разностью температур - это коэффициент Зеебека. A термопара измеряет разность потенциалов поперек горячего и холодного конца в течение двух разнородных материалов. Эта разность потенциалов пропорциональна разнице температур между горячим и холодным концом. Впервые обнаружен в 1794 году итальянский ученый Алессандро Вольта , [3] [примечание 1] он назван в честь Балтийского немецкого физика Зеебек , который в 1821 году независимо друг от друга заново открыли его. [4] Было замечено, что стрелка компаса будет отклоняться замкнутой петлей, образованной двумя разными металлами, соединенными в двух местах, с приложенной разницей температур между соединениями. Это произошло потому, что уровни энергии электронов смещались по-разному в разных металлах, создавая разность потенциалов между переходами, которая, в свою очередь, создавала электрический ток через провода и, следовательно, магнитное поле вокруг проводов. Зеебек не осознавал наличие электрического тока, поэтому назвал это явление «термомагнитным эффектом». Датский физик Ганс Кристиан Эрстед исправил упущение и ввел термин «термоэлектричество». [5]
Эффект Зеебека является классическим примером электродвижущей силы (ЭДС) и приводит к измеряемым токам или напряжениям так же, как и любая другая ЭДС. Локальная плотность тока определяется выражением
где - местное напряжение , [6] и- локальная проводимость . В общем, эффект Зеебека описывается локально созданием электродвижущего поля.
где является коэффициент Зеебека (также известный как термоэдс), свойство местного материала, и - температурный градиент.
Коэффициенты Зеебека обычно меняются в зависимости от температуры и сильно зависят от состава проводника. Для обычных материалов при комнатной температуре коэффициент Зеебека может находиться в диапазоне от -100 мкВ / К до +1000 мкВ / К ( дополнительную информацию см. В статье о коэффициенте Зеебека ).
Если система достигает устойчивого состояния, где , то градиент напряжения определяется просто ЭДС: . Это простое соотношение, которое не зависит от проводимости, используется в термопаре для измерения разницы температур; абсолютная температура может быть найдена путем измерения напряжения при известной опорной температуре. Металл неизвестного состава можно классифицировать по его термоэлектрическому эффекту, если металлический зонд известного состава поддерживать при постоянной температуре и контактировать с неизвестным образцом, который локально нагревается до температуры зонда. Он используется в коммерческих целях для идентификации металлических сплавов. Последовательные термопары образуют термобатарею . Термоэлектрические генераторы используются для создания энергии из перепадов тепла.
Эффект Пельтье
Когда электрический ток проходит через цепь термопары, тепло выделяется на одном спайе и поглощается на другом спайе. Это известно как эффект Пельтье. Эффект Пельтье - это наличие нагрева или охлаждения в наэлектризованном соединении двух разных проводников и назван в честь французского физика Жана Шарля Атаназа Пельтье , который открыл его в 1834 году. [7] Когда ток проходит через соединение между двумя проводниками. проводники A и B могут генерировать или отводить тепло в месте соединения. Тепло Пельтье, генерируемое на стыке в единицу времени, равно
где а также - коэффициенты Пельтье проводников A и B, а - электрический ток (от А до В). Общее генерируемое тепло не определяется только эффектом Пельтье, так как на него также могут влиять джоулевы нагревание и эффекты температурного градиента (см. Ниже).
Коэффициенты Пельтье показывают, сколько тепла переносится на единицу заряда. Поскольку зарядный ток должен быть непрерывным через переход, связанный с ним тепловой поток будет прерываться, если а также разные. Эффект Пельтье можно рассматривать как обратный аналог эффекта Зеебека (аналог обратной ЭДС в магнитной индукции): если простая термоэлектрическая цепь замкнута, то эффект Зеебека будет управлять током, который, в свою очередь ( эффект Пельтье) всегда будет передавать тепло от горячего спая к холодному. Тесную связь между эффектами Пельтье и Зеебека можно увидеть в прямой связи между их коэффициентами:(см. ниже ).
Типичный тепловой насос Пельтье включает в себя несколько последовательно соединенных переходов, через которые пропускается ток. Некоторые переходы теряют тепло из-за эффекта Пельтье, а другие нагреваются. Это явление используется в термоэлектрических тепловых насосах, а также в термоэлектрических охлаждающих устройствах в холодильниках.
Эффект Томсона
В различных материалах коэффициент Зеебека непостоянен по температуре, поэтому пространственный градиент температуры может привести к градиенту коэффициента Зеебека. Если через этот градиент пропускается ток, возникает непрерывная версия эффекта Пельтье. Этот эффект Томсона был предсказан и позже обнаружен в 1851 году лордом Кельвином (Уильям Томсон). [8] Он описывает нагрев или охлаждение проводника с током с градиентом температуры.
Если плотность тока проходит через однородный проводник, эффект Томсона предсказывает скорость производства тепла на единицу объема
где - температурный градиент, а - коэффициент Томсона. Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зеебека как(см. ниже ). Однако это уравнение не учитывает джоулева нагрев и обычную теплопроводность (см. Полные уравнения ниже).
Полные термоэлектрические уравнения
Часто в работе реального термоэлектрического устройства задействовано несколько из перечисленных выше эффектов. Эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона могут быть собраны вместе последовательным и строгим способом, описанным здесь; это также включает эффекты джоулева нагрева и обычной теплопроводности. Как указано выше, эффект Зеебека генерирует электродвижущую силу, приводящую к уравнению тока [9]
Чтобы описать эффекты Пельтье и Томсона, мы должны рассмотреть поток энергии. Если температура и заряд меняются со временем, полное термоэлектрическое уравнение для накопления энергии, это [9]
где - теплопроводность . Первый член - это закон теплопроводности Фурье , а второй член показывает энергию, переносимую токами. Третий срок,, это тепло, добавленное от внешнего источника (если применимо).
Если материал достиг устойчивого состояния, распределения заряда и температуры стабильны, поэтому а также . Используя эти факты и второе соотношение Томсона (см. Ниже), уравнение теплопроводности можно упростить до
Средний член - это нагрев Джоуля, а последний член включает в себя как Пельтье ( на стыке) и Томсон (в тепловом градиенте) эффекты. В сочетании с уравнением Зеебека для, это можно использовать для определения стационарных профилей напряжения и температуры в сложной системе.
Если материал не находится в устойчивом состоянии, полное описание должно включать динамические эффекты, такие как относящиеся к электрической емкости , индуктивности и теплоемкости .
Термоэлектрические эффекты выходят за рамки равновесной термодинамики. Они обязательно включают непрерывные потоки энергии. По крайней мере, они включают в себя три тела или термодинамические подсистемы, расположенные определенным образом, вместе с особым расположением окружения. Эти три тела - это два разных металла и область их соединения. Область сочленения представляет собой неоднородное тело, считающееся стабильным, не подвергающимся слиянию за счет диффузии вещества. Окрестности устроены так, чтобы поддерживать два резервуара температуры и два резервуара электрического тока. Для воображаемого, но не возможного термодинамического равновесия, теплопередача от горячего резервуара к холодному должна быть предотвращена за счет специально согласованной разности напряжений, поддерживаемой электрическими резервуарами, а электрический ток должен быть равен нулю. Фактически, для установившегося состояния должна быть хотя бы некоторая теплопередача или некоторый ненулевой электрический ток. Два режима передачи энергии - тепло и электрический ток - можно различить, когда есть три отдельных тела и определенное расположение окружения. Но в случае непрерывного изменения среды теплопередачу и термодинамическую работу нельзя однозначно различить. Это сложнее, чем часто рассматриваемые термодинамические процессы, в которых связаны всего две соответственно однородные подсистемы.
Отношения Томсона
В 1854 году лорд Кельвин обнаружил взаимосвязь между тремя коэффициентами, подразумевая, что эффекты Томсона, Пельтье и Зеебека являются разными проявлениями одного эффекта (уникально характеризуемого коэффициентом Зеебека). [10]
Первое соотношение Томсона [9]
где абсолютная температура, - коэффициент Томсона, - коэффициент Пельтье, а коэффициент Зеебека. Это соотношение легко показать, учитывая, что эффект Томсона является непрерывной версией эффекта Пельтье.
Второе соотношение Томсона:
Это соотношение выражает тонкую и фундаментальную связь между эффектами Пельтье и Зеебека. Это не было удовлетворительно доказано до появления соотношений Онзагера , и стоит отметить, что это второе соотношение Томсона гарантировано только для симметричного материала с обращением времени; если материал помещен в магнитное поле или сам по себе магнитоупорядочен ( ферромагнетик , антиферромагнетик и т. д.), то второе соотношение Томсона не принимает простой вид, показанный здесь. [11]
Теперь, используя второе соотношение, первое отношение Томсона принимает вид
Коэффициент Томсона является уникальным среди трех основных термоэлектрических коэффициентов, потому что это единственный коэффициент, который можно напрямую измерить для отдельных материалов. Коэффициенты Пельтье и Зеебека можно легко определить только для пар материалов; следовательно, трудно найти значения абсолютных коэффициентов Зеебека или Пельтье для отдельного материала.
Если коэффициент Томсона материала измеряется в широком диапазоне температур, он может быть интегрирован с использованием соотношений Томсона для определения абсолютных значений коэффициентов Пельтье и Зеебека. Это необходимо сделать только для одного материала, поскольку другие значения могут быть определены путем попарного измерения коэффициентов Зеебека в термопарах, содержащих эталонный материал, и последующего добавления абсолютного коэффициента Зеебека эталонного материала. Для получения дополнительной информации об определении абсолютного коэффициента Зеебека см. Коэффициент Зеебека .
Приложения
Термоэлектрические генераторы
Эффект Зеебека используется в термоэлектрических генераторах, которые работают как тепловые двигатели , но менее громоздки, не имеют движущихся частей и, как правило, более дороги и менее эффективны. Они используются на электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную электроэнергию (форма рециркуляции энергии ) и в автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов (ATG) для повышения эффективности использования топлива . В космических зондах часто используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы с тем же механизмом, но с использованием радиоизотопов для создания необходимой разницы температур. В последнее время используются вентиляторы для печей, [12] освещение, работающее от тепла тела [13], и умные часы, работающие от тепла тела. [14]
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье можно использовать для создания компактного холодильника без циркулирующей жидкости или движущихся частей. Такие холодильники полезны в тех случаях, когда их преимущества перевешивают недостаток их очень низкой эффективности. Эффект Пельтье также используется многими термоциклерами , лабораторными устройствами, используемыми для амплификации ДНК посредством полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР требует циклического нагрева и охлаждения образцов до заданных температур. Размещение множества термопар в небольшом пространстве позволяет параллельно усиливать множество образцов.
Измерение температуры
Термопары и термобатареи - это устройства, использующие эффект Зеебека для измерения разницы температур между двумя объектами. Термопары часто используются для измерения высоких температур, поддержания постоянной температуры одного спая или измерения ее независимо ( компенсация холодного спая ). Термобатареи используют множество термопар, электрически соединенных последовательно, для чувствительных измерений очень небольшой разницы температур.
Осушители.
Осушители Пельтье втягивают влажный воздух через переднюю часть холодного радиатора. Когда воздух проходит над холодной поверхностью, он конденсируется. Вода, выделяющаяся из конденсированного воздуха, затем капает в резервуар для воды, а сухой воздух выходит обратно в комнату.
Смотрите также
- Эффект Нернста - термоэлектрическое явление, когда образец допускает электрическую проводимость в магнитном поле и градиент температуры перпендикулярно (перпендикулярно) друг другу.
- Эффект Эттингсгаузена - термоэлектрическое явление, влияющее на ток в проводнике в магнитном поле.
- Пироэлектричество - создание электрической поляризации в кристалле после нагрева / охлаждения, эффект, отличный от термоэлектричества.
- Термогальванический элемент - производство электроэнергии из гальванического элемента с электродами при различных температурах.
Рекомендации
- ^ «Эффект Пельтье и термоэлектрическое охлаждение» . ffden-2.phys.uaf.edu .
- ^ По мере того, как «добротность» приближается к бесконечности, эффект Пельтье-Зеебека может приводить тепловой двигатель или холодильник все ближе и ближе к эффективности Карно . Дисалво, Ф.Дж. (1999). «Термоэлектрическое охлаждение и производство электроэнергии». Наука . 285 (5428): 703–6. DOI : 10.1126 / science.285.5428.703 . PMID 10426986 .Любое устройство, работающее на КПД Карно, термодинамически обратимо, что является следствием классической термодинамики .
- ^ Гупиль, Кристоф; Уэрдан, Хенни; Заброцкий, Кнуд; Зайферт, Вольфганг; Hinsche, Nicki F .; Мюллер, Экхард (2016). «Термодинамика и термоэлектричество» . В Гупиле, Кристоф (ред.). Теория континуума и моделирование термоэлектрических элементов . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Wiley-VCH. С. 2–3. ISBN 9783527413379.
- ^ Зеебек (1822). "Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz" [Магнитная поляризация металлов и руд разницей температур]. Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (на немецком языке): 265–373.
- ^ См .:
- Эрстед (1823 г.). "Nouvelles expériences de M. Seebeck sur les actions électro-magnetiques" [Новые эксперименты г. Seebeck по электромагнитным воздействиям]. Annales de chimie . 2-я серия (на французском языке). 22 : 199–201.Из стр. 199–200: «Il faudra sans doute désormais различают новые классы электрических цепей с определением значимости; и предлагают выражение термоэлектрических цепей или peut-être thermélectriques …» (Несомненно, необходимо, чтобы отныне выделять этот новый класс электрических цепей указательным названием, и в этом качестве я предлагаю выражение «термоэлектрические цепи» или, возможно, «термоэлектрические цепи»…)
- Эрстед (1823 г.). "Notiz von neuen electrisch-magnetischen Versuchen des Herrn Seebeck в Берлине" [Уведомление о новых электромагнитных экспериментах г-на Зеебека в Берлине]. Annalen der Physik (на немецком языке). 73 (4): 430–432. Bibcode : 1823AnP .... 73..430O . DOI : 10.1002 / andp.18230730410 .
- ^ Напряжение в этом случае относится не к электрическому потенциалу, а к напряжению "вольтметра"., где является уровень Ферми .
- ^ Пельтье (1834 г.). "Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique" [Новые эксперименты по тепловому воздействию электрических токов]. Annales de Chimie et de Physique (на французском языке). 56 : 371–386.
- ^ Томсон, Уильям (1851). «К механической теории термоэлектрических токов» . Труды Королевского общества Эдинбурга . 3 (42): 91–98. DOI : 10.1017 / S0370164600027310 .
- ^ а б в «А.11 Термоэлектрические эффекты» . Eng.fsu.edu. 2002-02-01 . Проверено 22 апреля 2013 .
- ^ Томсон, Уильям (1854 г.). «К динамической теории тепла. Часть V. Термоэлектрические токи» . Труды Королевского общества Эдинбурга . 21 : 123–171. DOI : 10.1017 / S0080456800032014 .
- ^ Существует обобщенное второе соотношение Томсона, связывающее анизотропные коэффициенты Пельтье и Зеебека с обратным магнитным полем и магнитным порядком. См., Например, Роу, Д.М., изд. (2010). Справочник по термоэлектрике: от макро до нано . CRC Press . ISBN 9781420038903.
- ^ «Модуль ТЭГ и эффект Зеебека» . StoveFanReviews.com .
- ^ Гуднер, Стэнли (16 октября 2015 г.). «Работающий от тепла тела, фонарик Lumen никогда не требует батареек» . Гизмаг .
- ^ Сигне Брюстер (16 ноября 2016 г.). «Эти умные часы питают тепло тела; Matrix PowerWatch - конкурент FitBit, который использует разницу температур между вашей кожей и воздухом для получения энергии» . MIT Technology Review . Дата обращения 7 октября 2019 .
Заметки
- ↑ В 1794 году Вольта обнаружил, что если между концами железного стержня существует разница температур, то это может вызвать спазмы лягушачьей лапы. Его аппарат состоял из двух стаканов воды. В каждый стакан был погружен провод, который соединялся с одной или другой задней лапой лягушки. Железный прут сгибали в лук и один конец нагревали в кипящей воде. Когда концы железного лука опускались в два стакана, термоэлектрический ток проходил через лапы лягушки и заставлял их подергиваться. Видеть:
- Вольта, Алессандро (1794). «Nuova memoria sull'elettricità animale del Sig. Дон Алессандро Вольта… in alcune lettere al Sig. Абб. Антон Мария Вассалли…» [Новые мемуары дона Алессандро Вольта об электричестве животных… в некоторых письмах к аббату Антонио Мария Вассалли…] Annali di Chimica e Storia Naturale (Летопись химии и естествознания) (на итальянском языке). 5 : 132–144. ; см. стр. 139.
- Перепечатано в: Вольта, Алессандро (1816) Collezione dell'Opere del Cavaliere Conte Alessandro Volta … [Собрание произведений графа Алессандро Вольта…]. (на итальянском языке) Флоренция (Firenze), (Италия): Гульельмо Пьятти. т. 2, часть 1. «Nuova memoria sull'elettricità animale, divisa in tre lettere, dirette al Signor Abate Anton Maria Vassalli… Lettera Prima» (Новые мемуары об электричестве животных, разделенные на три буквы, адресованные аббату Антонио Марии Вассалли… Первое письмо ), с. 197–206; см. стр. 202.
дальнейшее чтение
- Роу, Д.М., изд. (2006). Справочник по термоэлектрике: от макро до нано . Тейлор и Фрэнсис . ISBN 0-8493-2264-2.
- PM Джек (2003). « Физическое пространство как кватернионная структура I: уравнения Максвелла. Краткое примечание ». Торонто, Канада arXiv : math-ph / 0307038v1
- Безансон, Роберт М. (1985). Энциклопедия физики (третье изд.). Компания Ван Ностранд Райнхольд. ISBN 0-442-25778-3.
- Иоффе, АФ (1957). Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение . Infosearch Limited. ISBN 0-85086-039-3.
- Томсон, Уильям (1851). «К механической теории термоэлектрических токов». Proc.Roy.Soc.Edinburgh : 91–98.
Внешние ссылки
- Международное термоэлектрическое общество
- Общий
- Новостная статья о повышении эффективности термодиода