Термоэлектрический эффект

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Термоэлектрический эффект»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( ноябрь 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Термоэлектрический эффект
Принципы Термоэлектрический эффект Эффект Зеебека Эффект Пельтье Эффект Томсона Коэффициент Зеебека Эффект Эттингсгаузена Эффект Нернста
Приложения Термоэлектрические материалы Термопара Термобатарея Термоэлектрическое охлаждение Термоэлектрический генератор Радиоизотопный термоэлектрический генератор Автомобильный термоэлектрический генератор
v т е

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 [ править ]

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, которые в 1821 году независимо открыли его заново. ^[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

${\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- \ nabla V + \ mathbf {E} _ {\ text {emf}}),}$

где - местное напряжение , ^[6] и - местная проводимость . В общем, эффект Зеебека описывается локально созданием электродвижущего поля.${\ displaystyle V}$${\ displaystyle \ sigma}$

${\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ text {emf}} = - S \ nabla T,}$

где - коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство местного материала, а - температурный градиент.${\ displaystyle S}$${\ displaystyle \ nabla T}$

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, в котором , то градиент напряжения задается просто ЭДС: . Это простое соотношение, которое не зависит от проводимости, используется в термопаре для измерения разницы температур; абсолютная температура может быть найдена путем выполнения измерения напряжения при известной эталонной 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${\ displaystyle \ mathbf {J} = 0}$${\ Displaystyle \ набла V = S \ Delta T}$ используются для создания энергии от перепадов тепла.

Эффект Пельтье [ править ]

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

${\ displaystyle {\ dot {Q}} = (\ Pi _ {\ text {A}} - \ Pi _ {\ text {B}}) I,}$

где и - коэффициенты Пельтье проводников A и B, а - электрический ток (от A к B). Общее генерируемое тепло не определяется только эффектом Пельтье, так как на него также могут влиять джоулевы нагревание и эффекты температурного градиента (см. Ниже).${\ displaystyle \ Pi _ {\ text {A}}}$${\displaystyle \Pi _{\text{B}}}$${\displaystyle I}$

Коэффициенты Пельтье показывают, сколько тепла переносится на единицу заряда. Поскольку зарядный ток должен быть непрерывным через переход, связанный тепловой поток будет иметь неоднородность, если и будут разными. 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 ).${\displaystyle \Pi _{\text{A}}}$${\displaystyle \Pi _{\text{B}}}$${\displaystyle \Pi =TS}$

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 [ править ]

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.${\displaystyle \mathbf {J} }$

${\displaystyle {\dot {q}}=-{\mathcal {K}}\mathbf {J} \cdot \nabla T,}$

где - температурный градиент, - коэффициент Томсона. Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зеебека следующим образом (см. Ниже ). Однако это уравнение не учитывает джоулева нагрев и обычную теплопроводность (см. Полные уравнения ниже).${\displaystyle \nabla T}$${\displaystyle {\mathcal {K}}}$${\displaystyle {\mathcal {K}}=T{\tfrac {dS}{dT}}}$

Полные термоэлектрические уравнения [ править ]

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]

${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma (-{\boldsymbol {\nabla }}V-S\nabla T).}$

Чтобы описать эффекты Пельтье и Томсона, мы должны рассмотреть поток энергии. Если температура и заряд меняются со временем, полное термоэлектрическое уравнение для накопления энергии,,, имеет вид ^[9]${\displaystyle {\dot {e}}}$

${\displaystyle {\dot {e}}=\nabla \cdot (\kappa \nabla T)-\nabla \cdot (V+\Pi )\mathbf {J} +{\dot {q}}_{\text{ext}},}$

где - теплопроводность . Первый член - это закон теплопроводности Фурье , а второй член показывает энергию, переносимую токами. Третий член - это тепло, добавляемое от внешнего источника (если применимо).${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle {\dot {q}}_{\text{ext}}}$

Если материал достиг устойчивого состояния, распределения заряда и температуры стабильны, поэтому и . Используя эти факты и второе соотношение Томсона (см. Ниже), уравнение теплопроводности можно упростить до${\displaystyle {\dot {e}}=0}$${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {J} =0}$

${\displaystyle -{\dot {q}}_{\text{ext}}=\nabla \cdot (\kappa \nabla T)+\mathbf {J} \cdot \left(\sigma ^{-1}\mathbf {J} \right)-T\mathbf {J} \cdot \nabla S.}$

Средний член - это джоулев нагрев, а последний член включает эффекты Пельтье ( на стыке) и Томсона ( в температурном градиенте). В сочетании с уравнением Зеебека для , это можно использовать для определения стационарных профилей напряжения и температуры в сложной системе.${\displaystyle \nabla S}$${\displaystyle \nabla S}$${\displaystyle \mathbf {J} }$

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 амальгамации 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 из горячего резервуара в холодный 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 [ править ]

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]

${\displaystyle {\mathcal {K}}\equiv {\frac {d\Pi }{dT}}-S,}$

где - абсолютная температура, - коэффициент Томсона, - коэффициент Пельтье, - коэффициент Зеебека. Это соотношение легко показать, учитывая, что эффект Томсона является непрерывной версией эффекта Пельтье. Используя второе отношение (описанное ниже), первое отношение Томсона становится .${\displaystyle T}$${\displaystyle {\mathcal {K}}}$${\displaystyle \Pi }$${\displaystyle S}$${\displaystyle {\mathcal {K}}=T{\tfrac {dS}{dT}}}$

Второе соотношение Томсона:

${\displaystyle \Pi =TS.}$

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 магнитоупорядочен ( ферромагнетик , антиферромагнетик и т. д.), то второе соотношение Томсона не принимает простой вид, показанный здесь. ^[11]

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, с последующим добавлением абсолютного коэффициента Зеебека эталонного материала. Для получения дополнительной информации об определении абсолютного коэффициента Зеебека см. Коэффициент Зеебека .

Приложения [ править ]

Термоэлектрические генераторы [ править ]

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 электрическую энергию (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 печей, ^[12] освещение, работающее от тепла тела ^[13]и умные часы, работающие от тепла тела. ^[14]

Эффект Пельтье [ править ]

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 с помощью 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 [ править ]

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.

См. Также [ править ]

• 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.

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме термоэлектричества .

• Международное термоэлектрическое общество
• Общий
• Новостная статья о повышении эффективности термодиода