Seebeck effekt

Seebeck virkning - er dannelsen af ​​en spændingsforskel på grænsen grænsefladen af ​​to forskellige materialer ved opvarmning af teknikken.

fra historien

Historien er tavs, han ønskede at få Seebeck i 1822, når varmet kontakt fra antimon og bismuth. Måske effekten var resultatet af tilfældige sammentræf, som det ofte sker, og hvordan det skete i Ørsted af kompasset pil. Galvanometer Seebeck registreres, når en hånd holdt termoelementet junction. Det anses for en heldigt sammentræf, at han er forpligtet til at eje en succesfuld kompas design. Indretningen bestod af to halvdele: en metalramme, randen af ​​en anden glasdække. Hviler hånden på ejendommen, Seebeck afvigelsen af ​​den magnetiske nål fra sin oprindelige position. Sikkert forskellen var ikke alt for mærkbar, men videnskabsmanden tålmodigt at gentage oplevelsen af ​​at se resultatet.

Figuren viser, at displaylampe forårsager betydelig afbøjning af den magnetiske meridian. Dette skyldes, at feltet strømstyrke. Hæftning, klæbe arrow ovenfor bærer afgifter (positivt fortegn) i nævnte retning. Skaber et cirkulært magnetfelt, der ændrer kompasaflæsninger. Det vides ikke med sikkerhed, om kompasset blev foretaget fra antimon og bismuth eller Seebeck fundet materialer senere i privat, men stadig termoelementer er ofte lavet af disse metaller. Kombinationen er valgt for dets høje effektivitet.

Brugen af ​​termoelektriske generatorer

Eksperimenter, fandt vi, at effektiviteten af ​​termoelement når næsten 3%. I begyndelsen af ​​det XIX århundrede er det temmelig anstændigt, i stand til at konkurrere med nogen dampmaskine. I sovjetisk litteratur indeholder oplysninger, som den termoelektriske effektivitet ikke nåede 0,5%. For det første er det ikke altid hensyn til separate termoelementer, og for det andet, anses for at være kommunistisk propaganda. I Sovjettiden, mærkevarer personlige computere (et koncept udviklet i USSR), og nu nogen officiel prale af en helt ny bærbar computer fra Korea eller USA. Forfatterne er mere tilbøjelige til at stole på udenlandske kilder, hvilket tal i størrelsesordenen 3%.

Georg Ohm, ved hjælp af et termoelement, åbnede den velkendte lov, Faraday brugt dem til elektrolyse forskning. Forskere hurtigt fået smag for, og i midten af ​​det nittende århundrede var allerede til stede termoelektriske generatorer stor nok ydeevne - og til beklædning af metaldele. Med rapport Seebeck termoelement blevet en integreret del af de eksperimentelle faciliteter, hvor der kræves for at opnå stabilitet. Og i begyndelsen af ​​det XX århundrede har vi skabt en vifte af strukturer.

Den russiske magasin skrev om belysning termoelektriske ovn, der Gyulhera batteri bruges til at oplade batterierne. Interessen for dette område lidt svækket efter opfindelsen af ​​forbrændingsmotoren og elmotorer, men i den moderne verden termoelementer betragtes lovende strømkilder for udvikling af visningen. Men udsigten til at bruge solens stråler syntes attraktiv, selv i begyndelsen af ​​det XX århundrede. De første eksperimentelle data offentliggjort i 1922 var: "Apparatet 105 termoelementer (kobber-konstartantraad), et areal på 1 sq. cm hver, hvilket viser effektiviteten af ​​0,008%, ved middagstid giver energi på ca. 61 mW. "

Samtidig begyndte Seebeck effekt, der skal bruges til at drive bærbare radioer. Emnet for termoelektriske generatorer vist reklamka det tidspunkt. På almindeligt dansk er givet læserne til at forstå, at den nye strømforsyning er god til at lytte til de seneste nyheder. Intet under, at i løbet af kort tid og dukkede op i Sovjetunionen Journal bemærker kærester, blev det rapporteret, at varme petroleumslampe det fornuftigt kan anvendes til at drive elektronisk kredsløb. Czeczik i tidsskriftet "De fattige" (1928) rapporterede en generator af sit eget design af jern-nikkel termoelementer. Den samme slags artikel i nummer 13, "Radifront" magasin i 1937.

Efterkrigstidens generatorer Seebeck-effekten gav en gavnlig virkning i en mængde på 1 watt for 1 kg vægt. Men effektiviteten er stadig lav. I en russisk litteratur højre - sovjetiske artikler ikke gå forud for resten. Allerede under Anden Verdenskrig, Seebeck effekten leverede den rolige energi radiooperatører, varmede sig ved en brand i en urolig tid. Betragtes muligheden for at anvende igen, mange fysik lærebøger indeholder oplysninger om generatoren Joffe, skabt i begyndelsen af ​​50'erne (se. Fig.). Af den tid, man mente, at det er muligt at opnå effektivitet på 5-7%, blev udstedt generator TGK-3 til Radio. solcelle areal på 360 kvadrat blev oprettet. se, der gav 0,175 watt ved en virkningsgrad på 0,59%. Man kan se, at det er steget markant.

Fx petroleum lampe generator Ioffe prøve 50s radio tillader foder ved en temperatur i interne forbindelser mellem 300-350 grader celsius og eksterne - i området 60. Så har vi dokumenteret evne til at skabe enheder med en effektivitet på 8%. Historien om udviklingen af ​​termoelektriske generatorer til det senest mulige tidspunkt at overveje i det relevante afsnit, og nu ser på de fysiske processer, der forekommer i lederne.

termiske sensorer

I begyndelsen af ​​80'erne til 40% af alle industrielle nødvendige målinger af temperaturen og 2/3 af dette antal sensorer arbejder på Seebeck-effekten. Forskerne kom hurtigt til den konklusion, at den lave effektivitet er begrundet i høj præcision. I USSR, ville det have lært før generer at oversætte til russisk arbejde Georg Ohm tidlige 20-erne af det XIX århundrede. Shaking bredde påføringsindretninger - 0,5 til 3000 K.

Voldsom industrialisering har forårsaget behovet for nye metoder til bekæmpelse af teknologiske processer. Til voksende horisonter ikke holde trit med arbejderklassen og de mennesker med behov for hvile og fritid. Med ordene fra en forfatter, har videnskabelige opdagelser blevet almindeligt i USA, da det var muligt at etablere liv og til at berolige de militante indianere. Uden videnskaben, er landet ikke udvikler og ser ikke den fortjeneste, fritid og fritid betragtes som en værdifuld ressource. Fordelene ved sensorerne på Seebeck-effekten er:

1. Lav inerti. Hvis det er nødvendigt med det første produkt stabilitet, hvilket gør dem bevidst besværlig, langsom reaktion på det ydre miljø, moderne termoelement (se. Fig.) Er lille i størrelse og er inkluderet i sammensætningen og forbruger indretninger (fx køleskabe).
   

   moderne termoelement

2. Nem installation. Den mand, der står over for behovet for at erstatte det barometriske køleskab termostat ved, hvordan det er svært og tidskrævende proces. Termoelementet tilsluttet en nedskæring af tråden, hurtigt og nemt.
3. En omfattende række temperaturmåling har understreget. I dag er selv de testere solgt forbruger termoelement som sensor. Rækkevidden er afhængig af design features, er det nemt at vælge overkommelige og avancerede funktioner.
4. Den teknologiske proces er karakteriseret ved gentagne parametre fra batch til batch ensartethed, let fremstilling, muligheden for miniaturisering, egnet til automatiseret samling.

Disse funktioner gør det muligt at fleksibelt, præcist og hurtigt spore temperaturændringer. Følsomheden af ​​produktet bestemmes ved Seebeck koefficient og nåede 100 mV / K. Den vigtigste egenskab ved termoelementer - stabilitet parameter afhængig af mekaniske, termiske, magnetisk, og så videre. virkninger. Derfor er det ikke altid anses for at være den vigtigste egenskab ved stabilitet. Det er nogle gange på bekostning af effektiviteten ved at vælge en legering med maksimal resistens over for visse eksterne faktorer.

Hvordan virker et termoelement

Seebeck effekten er længe forblev uden forklaring. I dag skelner mellem to teorier, der beskriver de processer:

• kinetisk (mikroskopisk);
• termodynamiske (makroskopisk).

Dette antyder, at nøjagtige data om virkningsmekanismen for termoelementet i nutidens videnskab ikke er der.

enkel forklaring

Først, i stedet fordybe sig i den komplekse teori, foreslås det at overveje den enkle forklaring af de studerende fra forskellige universiteter. Professorer fortolke en begivenhed, baseret på thermionic emission fænomenet og elektronegativitet af metaller og legeringer. Den første er kendt for at blive emitteret lyset, når pæren glødetråd udviklet. Forudsætninger blev Edisons forskning. Elektroniske lampe værker fordi i vakuum forvarmet elektrode begynder at udsende ladningsbærere fra overfladen. Selvfølgelig blev snart etablerede ledere på området, er overfladen nu omfattet af elektrolyse af de rigtige materialer.

Essensen af ​​effekten af ​​de Termioniske emissioner: ladningsbærere udstille nul arbejdsfunktion af krystalgitteret. Det menes, at ved normal temperatur svæver over metaloverfladen en tynd elektronsky. Men på kroppen billedet af den positive ladning på sagen er det ikke. Som et resultat, opvarmning output elektron får den energi og i stand til at forlade metallet. observeres meget intensitet af fremgangsmåden ved en temperatur på 1000 K. Arbejdet funktion er ikke den samme for metaller, forskere mener, at dette til dels på grund af deres elektronegativitet.

Når de to prøver bringes i kontakt, omfordeling begynder. Dette sker, indtil en tæt elektron sky af metal afbalancerer anden. Processen synes at være komplet. Men... bare Seebeck opdaget at varmen gør op afgifter. Rekombination forekommer, fusion og disintegration som følge af termoelement dannet ved enderne af den potentielle forskel. Virkningen forstærkes ved anvendelse af to eller flere knudepunkter. Hvad gør fysik i den første halvdel af det nittende århundrede. Så er det første termoelement krydset opvarmes, og den anden afkølet.

Ved opvarmning, warp densitet af elektron skyer af de to metaller vokser stærkere. Følgelig potentialeforskellen stiger. Energi fjerner varmeenergi kompenseres aktuelle kilde. Seebeck-effekten manifesteres ved enhver temperatur, stiger stærkt med en forøgelse.

Den termodynamiske teori om Seebeck effekten

Termodynamisk teori opererer med fælles værdier: flow, gradienter kræfter. Ved at løse ligninger opnåede Ohms lov om forholdet mellem strøm, spænding, modstand og Fourier - varmestrøm kommunikation og temperaturgradient. Indført særlige faktorer med specifikke navne:

• Isolerede ledningsevne (inverse resistivitet);
• varmeledningsevne.

Den resulterende ligning er en konsekvens af tilstedeværelsen af ​​en gang tre effekter: Seebeck, Peltier og Lord Kelvin. De er indstillet for det meste eksperimenterende, uden en teori. Seebeck-effekten er allerede temmelig overvejes, Peltier opdagede dannelsen af ​​omvendt junction temperaturforskel af strømmen. Thomson effekt indviklet. Han anfører, at når der langs (forskel) leder temperaturgradient den begynder overføres (frigivet eller absorberet) varme. undersøgt og bevist i loven i den termodynamiske teori:

1. Mellemliggende metaller i et lukket kredsløb fremstillet af forskellige metaller ved den samme temperatur EMF nul sum. Dette anses for et udtryk for termodynamikkens anden lov. Arbejdet er ikke gjort uden forbrug af energi. Hvad sker der ved den samme temperatur vejkryds "Bevis: varmeoverførsel på grund af den nuværende umulig på grund af Peltier effekten. Dette ville medføre en opvarmning af nogle områder og andre køling. Det ville betyde overførsel af varme fra de koldere steder i mangel af en ekstern strømkilde. Aircondition kunne ikke operere på elektricitet, men på grund af en særlig ledningsforbindelser. "
2. Magnus i den lukkede sløjfe af samme materiale er ikke understøttet af aktuel temperaturforskellen. Konsekvens af loven var EMF kun afhænger af forskellen mellem junction temperaturer. Må ikke bekymre sig om opvarmning eller afkøling af de ydre betingelser for lederne selv.
3. Successiv (mellemprodukt) Temperatur: den algebraiske sum af emf på konturen i området fra T1 til T3 er Den algebraiske sum af emf foldet langs konturen med mellemrum fra T1 til T2 og fra T2 til T3, med eventuelle værdier af T1, T2 og T3.

Alle tre af loven hævder, at den resulterende elektromotorisk kraft bliver en funktion af kun krydset temperatur. Disse postulater er anerkendt som baggrund af målinger, herunder hvad der sker i køleskabe. Anden behandling: termoelement er ikke nødvendigvis indeholder to metaller. Hvis du ønsker at måle temperaturen gradient langs thermoelectrode, det er nok til en forekomst af EMF. Et andet materiale vil kontakte resultaterne. Dette er tilfældet med en degenereret og ganske effektiv termoelement, der stammer fra de fundamentale ligninger termodynamiske teori. Følgelig virkningen forudsagte analytisk.

Den er lavet på billedet nedenfor i betragtning af kompleksiteten i at optage matematiske formler Internet indførelse. Det ses, at den første ligning for termodynamisk teori i mangel af elektrisk strøm er forenklet. Heraf følger, at fjerne spændingen analog-til-digital konverter med en mindre nuværende grænse forsyning, køleskab Bosch koster "termoelement" af et enkelt metal.

Skelne mellem absolut og relativ EMF. Den anden henviser til et par af materialer, og det første - karakteriserer kun en enkelt. Absolut emf måles ved anvendelse af standard, som andre metoder, som allerede målte viste værdi (olie olie). Fra forsøgene er en differentiel EMF, som gør det muligt at beregne værdien. Standarder øjeblikket anerkendes:

• For relativt høje temperaturer (over 100 K): platin, guld, kobber, wolfram.
• Bly i andre tilfælde.

Ved meget lave temperaturer under 20 K den absolutte EMF bestemmes direkte. I nogle materialer bliver nul og kombinere testprøven med et par straks komme til den ønskede værdi. De fleste metaller absolut EMF i området fra 0 til 80 mV / K.

kinetisk teori

Den kinetiske teori har at gøre med den ikke-ligevægt miljøets tilstand. Han studerer dem i bevægelse. Den er baseret på den Bardeen-Cooper-Schrieffer, er ikke så kendt for offentligheden. I betragtning af sandsynlighed accepteret teori, er hver partikel betragtes individuelt, uden hensyn til det samlede system ydeevne. For at teori kaldet mikroskopisk.

I betragtning af de begreber introduceret: Cooper par elektroner Fermi overflade Debye frekvens og så videre. Teori driver probabilistiske ligninger positioner af partiklerne, Boltzmann funktion. Ifølge repræsentationer af videnskab i begyndelsen af ​​det XX århundrede i hvert metal der er en vis koncentration af elektroner spredt tilfældigt, men adlyde Boltzmann modellen. Disse forskellige teorier blev navngivet:

• Kræft.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

Ifølge Boltzmann model, den gennemsnitlige translatoriske energi af bevægelse af partiklerne er 2/3 kT, hvor k - er Boltzmanns konstant. Ifølge denne fortolkning termoelektrisk emf er en funktion af koncentrationen af ​​partikler i de to metaller af termoelementet og temperatur (se. Fig.). Det er let at kontrollere, at de præsenterede efter metallet formel ikke svarer til reelle observationer. Dette udføres ved blot at tælle emf værdier dividere temperaturområde og finde Seebeck koefficient. Han klart overvurderet.

Kontrovers formel begyndelsen af ​​XX århundrede blev elimineret Frenkel og Sommerfeld teori (1927). Sidste elektroner er placeret i modellen af ​​kvante statistik over Fermi-Dirac. Sommerfeld Seebeck koefficient opnås en meget lille mængde. Dette kan let forklares ved, at formlen for den kinetiske teori opererer med elektron-koncentrationer direkte, men de er vanskelige at måle og spore.

Halvledere bedre adlyde den kinetiske teori. Elektroner fra et materiale med en højere densitet diffus og nå for grænsefladen. Processen fortsætter så længe tællerfelt "emigranter" opveje bevægelsen modstrøm. Med hensyn til at forklare processen af ​​den kinetiske teori er ikke forskellig fra de argumenter, kastede de to ovennævnte kategorier, men der er nuancer:

1. Med øget koncentration af bærere af et bestemt tegn strøm bærer dem til den kolde ende, men der er allerede akkumuleret ladning forhindrer under processen. Bærerne af det modsatte fortegn, tværtimod, fremskyndet af feltet. Som et resultat, tæller strømmer på grænsen mellem medierne vil være ens, og den potentielle forskel er bestemt temperaturværdi.
2. Diffusionskoefficienten er tæt forbundet med ladningen mobilitet. Denne relation er etableret af Einstein. Den ujævne koncentration er oprettet, således temperaturgradienten. Mindre mobile afgifter danner en slags prop på sin vej på grund af den lave hastighed på bevægelse. Feltet af denne ophobning af ladningsbærere med modsat fortegn vinger partikler. Som et resultat, processen når ligevægt.

Tilstedeværelsen af ​​to carrier symboler grund af de høje Seebeck koefficienter i halvlederindustrien. I metaller har en forøget koncentration af elektroner når 10 sextillions per kubikcentimeter. Følgelig kan temperatursvingninger i figurerne de ikke være stor, hvilket forklarer den lave Seebeck koefficient på metaller.