Термоелектрически ефект

от Уикипедия, свободната енциклопедия


За тази статия някой е преценил, че се нуждае от вниманието на редактор с по-задълбочени познания по Физика.
Моля, помогнете да се намери такъв редактор или подобрете тази страница, ако можете.


За информацията в тази статия или раздел не са посочени източници.
Имайте предвид, че това може да стане причина за изтриването на информацията или за предлагането за изтриване на цялата статия.
Табела за ремонт

Тази статия се нуждае от подобрение.

Необходимо е: Да се пренапише от човек, който познава българските термини и има сериозни познания в областта на термодинамиката.. Ако желаете да помогнете на Уикипедия, просто щракнете на редактиране и нанесете нужните корекции.

Ефектът на Пелтие-Зеебек, или още термоелектрически ефект, е директното преобразуване на температурните разлики в електрическо напрежение и обратно.

Свързаните ефекти са ефекта на Томсън и ефекта на Джаул-Ленц. Ефектът на Пелтие-Зеебек и ефектът Томсън са обратими (ефекта на Пелтие е обратен на ефекта на Зеебек). Ефектът на Джаул-Ленц(Закон на Джаул-Ленц) е необратимо явление според законите на термодинамиката.

Съдържание

[редактиране] Ефект на Зеебек

Ефектът на Зеебек е преобразуването на температурните разлики директно в електричество. Този ефект за първи път е открит случайно от германско-естонския физик Томас Йохан Зеебек през 1821, който открил че напрежението съществуващо между два края на метална пръчка, когато съществува температурна разлика ΔT в нея.

Той също така открил, че магнитна стрелка ще се отклони, ако се се приближи до затворен контур, образуван от два метала с температурна разлика между съединението им. Причината е, че металите реагират различно на температурните разлики, създадени от този контур, който произвежда магнитно поле.

Ефектът е, че напрежението, термоелектричната ЕДС, е създадена при наличието на температурна разлика между два различни метала или полупроводници. Това предизвиква постоянния ток да протича в контура. Създаденото напрежение е в порядъка на няколко микроволта за един градус целзий температурна разлика.

В контура:

Image:Seebeck effect circuit 2.png

(който може да бъде в няколко различни конфигурации и да бъде обуславян от същите уравнения), полученото напрежение може да бъде обусловено от:

V = \int_{T_1}^{T_2} \left( S_\mathrm{B}(T) - S_\mathrm{A}(T) \right) \, dT


SA and SB са коефициенти на Зеебек (също наречени термоелектрическа мощност или термомщност) на метали А и Б, и T1 and T2 температурите на двете съединения. Коефициентите на Зеебек не са линейни, и зависят от абсолютната температура на проводника , материала и молекулярната му структура. Ако коефициентите на Сиибек са практически постоянни за измервания температурен обхват, горната формула може да се преобразува в:

V = (S_\mathrm{B} - S_\mathrm{A}) \cdot (T_2 - T_1)

Тази термодвойка работи, измервайки разликата в потенциалите, предизвикани от различни проводници. Тя може да бъде използвана за измерване на температурна разлика директно, или да се измерва една абсолютна температура, установявайки единия край в една известна температура. Няколко последователни термодвойки се наричат термоелектрична батерия.

Това също е принципа на работа на термодиодите и термоелектрическите генератори (радиоизотопните термоелектрически генератори)използвани за създаването на електрическа мощност от разлика в температури.

Ефекта на Зеебек се дължи на два ефекта: charge carrier diffusion and phonon drag.

[редактиране] Термична мощност

Термичната мощност, или термоелектрическа мощност, или коефициент на Зеебек за един материал отчита отношението на индуцираното термоелектрическо напрежение към температурната разлика. Термоелектрическата мощност се измерва в (V / K). Термина термомощност се използва неправилно, тъй като отчита напрежението на едно електрическо поле (не електрическа мощност) предизвикано от температурна разлика. Приложената температурна разлика предизвиква движение на заредени носители в материала, били те електрони или „дупки“, които преминават от топлия край към студения, процес много напомнящ процесите в разширяващ се газ следствие нагряване. Подвижните заредени носители, преминаващи в студения край остават след себе си противоположно заредени и неподвижни ядра в топлия край, което предизвиква повишаване на термоелектрическото напрежение (термоелектричеството се дължи на създаденото напрежение от температурната разлика). Увеличаването на заредените носители на студения край в един момент престава при някаква максимално стойност, вследствие наличието на еднакво количество на заредени носители движещи се обратно към топлия край т.е. имаме равновесие. Само едно нарастване в температурната разлика може да поднови нарастването на заредени носители към студения край и съответно това води до увеличаване на термоелектрическото напрежение.

Термоелектрическата мощност на един материал, представена като S, зависи от температурата на материла, и кристалната му структура. Обикновенно металите имат малка термоелектрическа мощност, поради това че в повечето валентната зона и зоната на проводимостта се застъпват. Електроните (отрицателните заряди)и дупките(положителните)заедно участват в индуктираното термоелектрическо напрежение противодействайки си, като по този начин го правят твърде малко. Обратно, при полупроводниците може да има неравновесие на електрони или дупки и по този начин да има големи положителни или отрицателни стойности на термоелектрическа мощност зависеща от заряда на преобладаващите носители. Знака на термоелектрическата мощност определя кои заряди преобладават.

Ако температурната разлика ΔT между двата края на материала е малка, тогава термоелектрическата му мощност се определя така:



S = {E \over \nabla T}

В практиката рядко може да се измери абсолютната термоелектрическа мощност на интересуващия ни материал. Това се дължи на факта, че електродите свързани към един волтметър трябва да бъдат свързани в самия материал за да измерят фактическото му термоелектрическо напрежение. Нормално обаче това е невъзможно и към „сметката“ се добавя и термоелектричното напрежение в допълнителните контактни зони. Сбора от двата материала обикновенно се нарича термодвойка.

Следователно измерената термоелектрическа мощност се получава с участието и на двата материала и може да бъде изразена така: 
S_{AB} = S_B-S_A = {\Delta V_B \over \Delta T} - {\Delta V_A \over \Delta T}

Свръхпроводниците имат термоелектрическа мощност равна на нула. Това позволява директно измерване на абсолютната термоелектрическа мощност на интересуващия ни материал, понеже тя е мощността на цялата термодвойка. В допълнение, едно измерване на коефициента на Томпсън, μ, на един материал може също да изведе термоелектрическата мощност чрез следната връзка:

S = \int {\mu \over T} dT

Термоелектрическата мощност е важен параметър на материалите показващ ефективността на термоелектическия материал. По-голямото индуктирано напрежение за даден температурен клас материал ще доведе до по-голяма ефикасност. В идеалния случай много малка температура ще води до голямо индуктирано напрежение.

[редактиране] Движение на зарядите

Зарядите в материалите (електроните в метала, електрони и дупки в полупроводниците, йони в йонизираните проводници) ще се преместят, когато единия край на проводника е с различна температура в сравнение с другия. Горещите заряди се преместват от горещия край към студения, тъй като там има по-ниска плътност на горещи носители. Студените носители преминават от студения към горещия край по същата причина.

Ако проводник бъде оставен да достигне термодинамично равновесие,топлината ще се разпространи навсякъде равномерно в проводника. Движението на топлината(под формата на топло заредени носители) от единия край до другия се нарича топлинен поток. Понеже заредените носители се движат това също е и електрически ток.

В система, в която двата края са с постоянна температура имаме постоянен равномерен поток на топлинни носители. Обаче, този поток не е абсолютно равномерен поради наличието на частици от други материали, нееднаквост на стурктурата, и вибрации на кристалната решетка(фонони). Ако разпръскването е енергийно зависимо, топлите и студените носители ще се движат с различни скорости. Това създава различна плътност в единия край на материала, а разстоянието между положителните и отрицателните заряди ще предизвика потенциална разлика- електростатично напрежение.

Електрическото поле, обаче се противопоставя на неравномерното движение на носителите, и в един момент ще настъпи равновесие защото носителите породени от електрическото поле ще се изравнят с тези породени от температурната разлика.

Типичните термоелектрически устройства са структурирани като тип P и тип N полупроводникови елементи свързани помежду си с проводник както е показано на картинките по-долу. Тока тече през n елемента, пресича през проводника до p елемента. Ако имаме източник на енергия, термоелектрическото устройство може да работи като охладител. Електроните в n елемента ще се придвижат в противоположна посока на тока и дупките в p елемента ще се придвижат в посока на тока, така че и в двата случая ще се премахне топлината от единия край на устройството. Ако пък имаме източник на топлина, устройството може да заработи като електрически генератор. Топлинния източник ще задвижи електроните от n елемента към най- студеното място, това ще създаде ток в проводника. Дупките в p елемента ще се задвижат в една посока с тока. Този ток може да се използва за да захрани товар, което ще преобразува топлинната енергия в електрическа.

Термоелектрически охладител
Термоелектрически охладител
Термоелектрически генератор
Термоелектрически генератор

[редактиране] Влияние на фононите

Фононите не винаги са в термично равновеси; движението им варира. Те губят кинетична енергия при взаимодействие с електрони(или други носители), а също и заради несъвършенство на кристала. Ако взаимодействието между фонони и електрони доминира, фононите ще се стремят да избутат електроните към края на материала загубвайки по този начин инерцията си. Това допълнително допринася за съществуващото термоелектрическо поле. Това взаимодействие по-важно в температурни области, където електрон-фононното изблъскване е преобладаващо. Това се случва при:


T \approx {1 \over 5} \theta_\mathrm{D}

където θD е температура на Питър Дебие. При по-ниски температури има по-малко свободни фонони, а при по-високи температури фононите губят инерция при сблъсаци с други фонони.

В магнитно поле тези взаимодействия се различават.

[редактиране] Ефект на Пелтие

Ефектът на Пелтие е обратен на ефекта на Зеебек; създаване на температурна разлика от електрическо напрежение.

Ефекта се проявява, когато ток премине през два различни (по състав) метали или полупроводници. Тока задвижва поток от топлина от единия метал към другия; единия се охлажда, а другия се нагрява; в резултат, ефекта се използва по-често за охлаждане. Ефекта беше открит през 1834 от Жан Пелтие, 13 години след първоначалното откритие на Зеебек.

Image:Peltier effect circuit.png

При протичане на ток през веригата, топлината излъчена от горното съединение (at T2) се поема от долното (at T1). Топлината поета от долното съединение за единица време \dot{Q} е равна на:

\dot{Q} = \Pi_\mathrm{AB} I = \left( \Pi_\mathrm{B} - \Pi_\mathrm{A} \right) I

където Π е коефициента на Пелтие ΠAB на цялата термодвойка, а ΠA и ΠB са коефициентите на всеки един материал. P-типа силиций типично има положителен Пелтие коефициент (до 550 К), а n-типа силиций е типично отрицателен, както подсказват и буквичките на типа.

Коефициента на Пелтие показва колко топлинен поток е пренесен за единица заряд през даден материал.

Понеже зарядния ток трябва да е непрекъснат през мястото на свързване, свързания топлинен поток ще предизвика прекъсване ако ΠA и ΠB са различни. Това предизвиква различно от нула отклонение в съединението и така топлината трябва да се натрупа или изчерпи там, в зависимост от знака на тока. Друг начин да разберем как този ефект може да охлади съединението е да забележим това, че когато електроните текат от регион с висока плътност към област с ниска плътност, те се разщиряват(както при идеален газ) и охлажда.

Едно интересно следствие на този ефект е, че посоката на топлинния поток е контролирана от посоката на тока.

Охладител/отоплител на Пелтие или термоелектрическа/топлинна помпа е полупроводникова активна топлинна помпа, която пренася топлината от един край на едно устройство до другия. Охладителя на Пелтие също е наричан и термоелектрически охладител.

[редактиране] Ефект на Томсън

Ефектът на Томсън, наречен на Уилям Томсън (Лорд Келвин), описва затоплянето или охлаждането на токоносещ проводник в една температурна област.

Всеки такъв проводник, с температурна разлика между две точки, ще поглъща или отдава топлина в зависимост от материала.

Ако ток с дадена плътност J преминава през еднороден проводник, то произведената в него топлина за единица обем е

q = \rho J^2 - \mu J dT/dx \,

където


ρ е специфичното съпротивление на материала

dT/dx изменението на температурата

μ е коефициента на Томсън.

Първия израз ρ J² е просто затоплянето на Джаул, който не е обратимо.

Втория израз е топлина на Томсън, който си сменя знака когато J си смени знака.

В метали като например цинк и мед , които имат един по-топъл край с по-висок потенциал и един по-студен край с по-нисък потенциал, когато тока се движи от по-топлия към по-студения край, той се движи от по-високия към по-ниския потенциал, така че има излъчване на енергия. Това се нарича положителен ефект на Томсън.

В метали като кобалт, никел и желязо , които имат по-студен край и по-висок потенциал и по-топъл край при по -нисък потенциал, там има поглъщане на енергия. Това се нарича отрицателен ефект на Томсън.

[редактиране] Взаимовръзки при ефекта на Томсън

Ефектът на Зеебек всъщност е комбинация от ефекта на Томсън и ефекта на Пелтие. Всъщност, в 1854 г. Томсън открил две взаимовръзки, в днешни дни наричани взаимовръзки на Томсън или Келвин, между съответните коефициенти. Абсолютната температура T, коефициента на Пелтие Π и коефициента на Зеебек S са свързани с първата зависимост на Томсън

\Pi = S \cdot T

които предсказали ефекта на Томсън преди още да бъде официално открит. Те са свързани с коефициента на Томсън μ от втората зависимост на Томсън

\mu = T dS/dT .\,


[редактиране] Патенти

[редактиране] Източници

  • Besançon, Robert M. (1985). „The Encyclopedia of Physics, Third Edition“. Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 0-442-25778-3.
  • (2006) Rowe, D. M. „Thermoelectrics Handbook:Macro to Nano“. Taylor & Francis. ISBN 0-8493-2264-2.
  • Ioffe, A.F. (1957). „Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling“. Infosearch Limited. ISBN 0-8508-6039-3.

[редактиране] Външни препратки

[редактиране] Общи

[редактиране] Полупроводници

[редактиране] Метали

[редактиране] Свързани


Тази страница, частично или изцяло, представлява превод на страницата Thermoelectric effect от сайта http://en.wikipedia.org. Оригиналната страница, както и този превод, са защитени от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, за да видите списъка на съавторите.