Что такое эффект Зеебека
Содержание
Термоэлектрический эффект был открыт в 1821 немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Поэтому данное явление в честь ученого было названо эффектом Зеебека. В своих экспериментах он использовал своеобразный компас и заметил отклонение стрелки под действием тепла. Ученый связал это с возникновением магнитного поля и, следовательно, счел, что дал объяснение природе магнитного поля Земли. Только много позже было понято электрическое происхождение данного явления. Эффект Иоганна Зеебека проявляется в равной мере и для двух проводников из разных материалов, и для проводника из однородного материала.
Природа термоэлектродвижущей силы
Эффектом Зеебека называют процесс возникновения разности электропотенциалов в зоне соединения двух материалов под действием тепла. Значение разности потенциалов, создаваемой данным эффектом, имеет порядок нескольких мкВ на разницу температур в 1 градус (Цельсия или Кельвина).
Если один конец проводника нагреть, а другой охладить, то в проводнике возникнет термоэлеткродвижущая сила. Она характеризует термоэлектрическое напряжение, появляющееся в материале из-за разницы температур. Термоэлектродвижущая сила или коэффициент Зеебека (тепловая мощность) в международной системе единиц СИ измеряется в вольтах на кельвин (В/К), но более распространено указание в микровольтах на кельвин (мкВ/К).
У термоЭДС знак может быть положительным или отрицательным. В проводящем материале это знак минус при наличии носителей отрицательного электрозаряда (электронов) и плюс в случае носителей положительных электрозарядов (электронных дырок).
Простым методом оценки коэффициента Зеебека является измерение напряжения на концах проводника при приложении к нему разности температур, когда в проводнике устанавливается равновесие с нулевой плотностью электротока.
При наличии небольшой температурной разницы ∆T между концами проводника коэффициент Зеебека можно определить с помощью довольно простой формулы:
Сдвиг термоЭДС, связанный с рассматриваемым эффектом, невозможно оценить прямым способом, поскольку измеряемая ЭДС (при подключении вольтметра) смещена на величину, обусловленную градиентом температуры, а также эффектом Зеебека в проводах измерительного прибора. Знак коэффициента Зеебека можно определить по следующему выражению:
Следовательно, S положительно, если нагретый конец материала имеет более низкий потенциал, и отрицательно в противоположном случае, т. е. градиент напряжения в проводнике направлен против градиента температуры.
Коэффициент Зеебека отличается нелинейной температурной зависимостью. Он зависит от абсолютной температуры и молекулярной структуры материала. Если значение коэффициента можно считать постоянным в рассматриваемом температурном диапазоне, то результирующее напряжение при проведении опыта задается формулой:
Коэффициент Зеебека полупроводников очень сильно зависит от легирования, причем для p-легированных материалов он, как правило, имеет положительный знак, а для n-легированных — отрицательный.
Как определяется коэффициент
Принцип определения коэффициента Зеебека заключается в вычислении разности потенциалов, вызванной разницей температур известного значения. На практике его можно найти лишь для пары материалов, поэтому нужен эталонный материал. В качестве такого используются сверхпроводники с нулевым значением термоЭДС. Действительно, эффект Томас Иоганна Зеебека определяется переносом энтропии электронами или дырками в материале, но носители электрозаряда не переносят энтропию в сверхпроводящем состоянии.
Исторически сложилось так, что значение термоЭДС для неорганического соединения ниобия и олова с формулой Nb3Sn, измеренное при критической температуре Tкр = 18 K для пары Pb-Nb3Sn, позволяло получить значение коэффициента SPb для свинца (Pb) до 18 K, а затем и во всем температурном диапазоне. В связи с этим свинец стал эталонным материалом для определения коэффициента прочих материалов.
Объяснение эффекта Зеебека
Данное явление обусловлено двумя физическими эффектами: переносом электрического заряда путем диффузии и сопротивлением фонону. На величину термоэлектрических коэффициентов влияют температура материала, его кристаллическая структура и наличие примесей.
Переносчики электрического заряда в материалах (в металлах — электроны, полупроводниках — электроны и дырки, ионных проводниках — ионы) способны диффундировать, если концы материала имеют разную температуру.
Высокотемпературные носители будут перемещаться к низкотемпературным, если плотность первых в низкотемпературной и высокотемпературной частях материала различна. По той же причине переносчики заряда из зоны с более низкой температурой диффундируют в горячую.
После достижения равновесия тепло равномерно распределяется по проводнику. Перемещение тепла через более высокотемпературные (т. е. более энергетические) носители заряда от одного конца проводника к другому известно, как тепловой электрический ток. Пока носители движутся, будет существовать и электрический ток.
В системе, в которой концы проводника имеют постоянную разницу температур (постоянный ток течет от одного конца проводника к другому), наблюдается постоянная диффузия носителей. Если бы скорость диффузии высокотемпературных и низкотемпературных носителей была одинаковой, не было бы никакой разницы в накопленных зарядах.
Однако носители зарядов рассеиваются примесями в решетке, нарушениями ее правильной структуры и фононами (квазичастицами, квантами энергии согласованного колебательного движения атомов твердого тела, образующих идеальную кристаллическую решетку).
Если рассеивание зависит от энергии носителя, то высоко- и низкотемпературные носители будут рассеиваться с различной скоростью (имея разные температуры, они обладают разной энергией). Из-за этого на одном конце проводника образуется более высокая плотность носителей. Наличие зарядов противоположного знака способствует возникновению разности потенциалов и электрического поля.
Однако данное поле противодействует рассеиванию, зависящему от энергии носителя, следовательно, оно становится неравномерным. Равновесие достигается, когда эффект от количества переносчиков заряда, рассеивающихся в одном направлении, аннулируется количеством переносчиков того же знака, перемещающихся в противоположном направлении под воздействием создаваемого поля. Это означает, что термоэлектрическое напряжение материала определяется следующими факторами:
- количествомпримесей;
- наличиемнесовершенств кристаллической решетки;
- структурнымиизменениями (зависящими от температуры и напряженности электрическогополя).
Фононное сопротивление в полупроводниках при комнатной температуре дает существенный вклад в коэффициент Зеебека, что сравнимо по величине с эффектом диффузии носителей.
Японскими учеными экспериментально было доказано, что существует спиновый эффект Зеебека. Поскольку в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то ученые сделали логичное предположение, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека.
Иными словами, магнит предложено рассматривать как проводник, который состоит из двух проводников с различными коэффициентами Зеебека. Он является аналогом термопары, используемой в классическом эффекте.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье (исторически обнаруженный позднее эффекта Зеебека) — термоэлектрическое явление, проявляющееся в том, что при протекании электротока через контакт спаянных проводников из разных материалов теплота выделяется либо поглощается, т. е. контакт нагревается либо охлаждается.
Количество выделяемой теплоты и ее знак определяются родом контактирующих материалов, направлением и значением силы электрического тока. Обычно выделяемое по эффекту Пельте тепло существенно меньше того тепла, образование которого описывает закон Джоуля-Ленца. Эффект Пельте успешно применяется в автомобильных холодильниках.
Эффект обнаружен французским мастером часовых дел Жаном Пельтье в 1834 году, а сущность явления экспериментально исследовал через 4 года российский ученый Эмилий Христианович Ленц. Эмпирически установлено, что количество выделяющегося тепла QP пропорционально произведению силы электротока на время его протекания.
Английский ученый Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал, что коэффициент Пельтье П пропорционален коэффициенту Зеебека S и равен произведению абсолютной температуры T на коэффициент Зеебека: П=T*S.
Практическое применение эффекта Зеебека
На основе эффекта Зеебека строится измерение разности температур как разности потенциалов, возникающей в цепи, состоящей из проводников из различных материалов. Для этого используют устройство, получившее название «термопара». Она может использоваться как преобразователь термического тока в показания термометра или же в качестве температурного датчика. Термоэлектрический термометр представляет собой элемент, сделанный из двух разных материалов, соединенных сваркой. Чтобы измерить абсолютную температуру, один из двух переходов устройства помещают в зону исследования, а другой подключают к измерительному прибору.
Эффект Зеебека используется в термоэлектрических генераторах для производства электроэнергии за счет разницы температур, например, в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе. Различные термопары могут быть соединены последовательно, образуя так называемую термобатарею.
Одно из известных применений термобатарей — т. н. «партизанский котелок», или термоэлектрогенератор ТГ-1 мощностью до 10 Вт, созданный на основе полупроводниковых термоэлементов в период Великой Отечественной войны под руководством академика А. Ф. Иоффе. Котелок предназначался для питания полевых радиостанций партизанских отрядов и диверсионно-разведывательных групп в тылу противника при отсутствии или для экономии батарей питания анодных и накальных цепей радиоаппаратуры.
«Котелок» наполнялся водой и подвешивался над костром, что создавало разницу температур в 300 градусов. Электричество вырабатывалось термоэлементами на основе соединения сурьмы с цинком и константаном.
После войны серийно выпускались ТЭГ в виде насадки на ламповое стекло керосиновой лампы для освещения или в качестве насадки к керосиновой горелке для готовки пищи.
Использование материалов с высоким коэффициентом Зеебека важно для действенного функционирования термоэлектрических генераторов и термоэлектрических охладителей. С целью повышения точности оценки температуры предпочтительно применять материалы с постоянным во времени коэффициентом Зеебека.
Термоэлектрические генераторы имеют довольно низкий КПД, преобразуя в электрическую энергию около 7% тепловой энергии. Для сравнения, турбомашины для наземного применения с рекуперацией тепла в настоящее время способны преобразовать в электрическую энергию порядка 50 процентов вырабатываемой тепловой энергии.
Примечательно, что два очень распространенных и дешевых металла имеют одни из самых высоких коэффициентов Зеебека по абсолютной величине, но с противоположными знаками: железо (+11.6 мкВ/К) и никель (-8.5 мкВ/К). Они представляют собой идеальную пару для создания термоэлектрического генератора: железо чувствительно к коррозии, но слой никеля, нанесенный на него, защищает его, что позволяет создать диэлектрическую пару из одной тонкой пластины никелированного железа.
Однако полученная термопара обладает относительно высоким сопротивлением, а также вызывает ферромагнитный эффект, который создает высокое сопротивление. На практике такая сборка может быть использована для изготовления датчика температуры, работающего при низкой мощности и квазипостоянном токе для питания стока транзистора усилителя мощности, предназначенного для превращения его в прибор для измерения температуры. Однако гораздо более высокие коэффициенты получаются в легированных полупроводниках со сложной, но регулярной кристаллической структурой (т. е. не аморфной, для хорошей электропроводности), и где легирование не нарушает эту структуру.
Одно из возможных применений — изолированные от электросети районы, где электроэнергия может вырабатываться дровяной печью, оснащенной термоэлектрическим генератором. Подобная конструкция оказывается более надежной, чем солнечные батареи. В продаже имеются термоэлектрические модули, размещаемые между варочной поверхностью и сковородой.
Исследования, проведенные в 2007 году в Калифорнийском университете и направленные на получение более дешевых и более эффективных преобразователей в будущем, зафиксировали эффект Зеебека при использовании вместо классических металлических сплавов органических молекул. Исследователи поместили молекулы бензендитиола, дибензендитиола и трибензендитиола между двумя электродами с золотым покрытием и после нагрева одного из электродов отметили протекание слабого тока. На каждый градус Цельсия разницы температур исследователи зарегистрировали 8.7 мкВт электричества для бензендитиола, 12.9 мкВт для дибензендитиола, и 14.2 мкВт для трибензендитиола. Максимальная разница температур между концами материалов составляла 30 градусов.
До недавнего времени потенциал термогенераторов для производства электроэнергии был настолько мал, что его не считали экономически эффективным в больших масштабах или для крупномасштабного производства. Данное явление использовали только для дорогих атомных батарей в космических зондах или для питания небольших бесшумных двигателей. Однако в 2015 году исследования позволили получить гораздо более высокие «урожаи» за счет использования определенных оксидов с очень хорошими коэффициентами преобразования энергии, которые также являются термостойкими и нетоксичными. В будущем тепловые машины, автомобильные двигатели или компьютерные процессоры смогут преобразовывать рассеиваемое и отводимое ими тепло в электричество.
Загрузка...
