Seebeck-Effekt

Seebeck-Effekt - die Bildung einer Potentialdifferenz an der Grenzfläche von zwei unterschiedlichen Materialien durch das Erhitzen der Technik.

aus der Geschichte

Die Geschichte schweigt, er die Seebeck 1822 erhalten wollte, wenn erwärmt Kontakt von Antimon und Wismut. Vielleicht war der Effekt das Ergebnis von zufälligen Koinzidenzen, wie es oft geschieht, und wie es in Oersted des Kompasspfeils passiert ist. Das Galvanometer Seebeck aufgezeichnet, wenn eine Hand die Thermopaarmeßstelle halten. Es ist ein glücklicher Zufall betrachtet, ist er verpflichtet, einen erfolgreichen Kompassentwurf zu besitzen. Die Vorrichtung bestand aus zwei Hälften: ein Metallrahmen, der am Rande einer anderen Glasabdeckung. Ruhen seine Hand auf dem Grundstück, wobei die Seebeck Abweichung der Magnetnadel von ihrer Anfangsposition. Sicher war der Unterschied nicht zu auffällig, aber die Wissenschaftler geduldig die Erfahrung beobachtet das Ergebnis zu wiederholen.

Die Figur zeigt, dass die Anzeigelampe erhebliche Ablenkung des magnetischen Meridians verursacht. Dies ist aufgrund der Feldstrom fließt. Staple, sich oberhalb Pfeil trägt Ladungen (positive Vorzeichen) in der genannten Richtung. Erzeugt ein kreisförmiges Magnetfeld, das die Kompassablesungen ändert. Es ist nicht sicher bekannt, ob der Kompass von Antimon und Wismut oder Seebeck gefundener Materialien später in privaten gemacht wurde, aber immer noch Thermoelemente werden oft von diesen Metallen. Die Kombination ist für seine hohe Effizienz ausgewählt.

Die Verwendung von thermoelektrischen Generatoren

Das Experimentieren fanden wir, dass die Effizienz des Thermoelementes fast 3% erreicht. Zu Beginn des XIX Jahrhunderts ist es recht gut, in der Lage mit jeder Dampfmaschine zu konkurrieren. In der sowjetischen Literatur informiert, dass die thermo Wirkungsgrad 0,5% nicht erreicht. Zum einen ist es nicht immer in Bezug auf separaten Thermoelemente, und zweitens gilt kommunistische Propaganda sein. In der sowjetischen Zeit, eingebrannt Personalcomputer (ein Konzept in der UdSSR entwickelt) und verfügen nun über eine offiziellen einen brandneuen Laptop aus Korea oder den Vereinigten Staaten. Die Autoren sind eher auf ausländische Quellen angewiesen, Zahlen im Bereich von 3% führt.

Georg Ohm, mit einem Thermoelement, öffnete das bekannte Gesetz, Faraday verwendet sie für die Elektrolyse Forschung. Wissenschaftler erworben schnell auf den Geschmack und durch die Mitte des XIX Jahrhunderts waren bereits thermoelektrische Generatoren groß genug Leistung - und für die Verkleidung von Metallteilen. Mit dem Report Seebeck Thermoelement ein integraler Bestandteil der experimentellen Einrichtungen worden, wo zu erhalten Stabilität erforderlich. Und von Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts haben wir eine Reihe von Strukturen geschaffen.

Das russische Magazin schrieb über thermo Ofen anzündet, wird Gyulhera Batterie verwendet, um die Batterien aufzuladen. Das Interesse an diesem Bereich nach der Erfindung des Verbrennungsmotors und Elektromotoren leicht abgeschwächt, aber in den modernen Welt Thermoelementen sind vielversprechende Energiequellen für die Entwicklung aus betrachtet. Allerdings schien die Aussicht auf die Sonnenstrahlen mit attraktiver, auch am Anfang des XX Jahrhunderts. Die ersten experimentellen Daten im Jahr 1922 veröffentlicht: „Die Vorrichtung 105 der Thermoelemente (Kupfer-Konstantan), eine Fläche von 1 sq. cm jeweils, um die Effizienz von 0,008%, am Mittag demonstriert Energie von etwa 61 mW zu geben. "

Zur gleichen Zeit begann der Seebeck-Effekt verwendet werden tragbare Radios anzutreiben. Das Thema der thermoelektrischen Generatoren reklamka dieser Zeit gezeigt. Im Klartext werden die Leser zu verstehen gegeben, dass die neue Stromversorgung auf die neuesten Nachrichten zu hören gut. Kein Wunder, dass in kurzer Zeit und in der UdSSR Journal erschien stellt fest, Liebhaber, es wurde berichtet, dass die Wärmepetroleumlampe vernünftig Leistungselektronik-Schaltungen verwendet werden. Czeczik in der Zeitschrift „Die Armen“ (1928) berichtet, einen Generator aus eigener Entwicklung der Eisen-Nickel-Thermoelemente. Die gleiche Art von Artikel erschien auf Platz 13, „Radifront“ -Magazin im Jahr 1937.

Postwar Generatoren Seebeck-Effekt hat eine vorteilhafte Wirkung in der Menge von 1 Watt Leistung für 1 kg-Gewicht. Aber die Effizienz ist nach wie vor gering. In einer russischen Literatur Recht - sowjetische Artikel gingen nicht vor dem Rest. Bereits während des Zweiten Weltkrieges lieferte der Seebeck-Effekt die ruhige Energie der Funker, sich in einer unruhigen Zeit an einem Feuer wärmen. Betrachtet die Möglichkeit, wieder zu verwenden, enthalten viele Physiklehrbücher über den Generator Joffe, in den frühen 50er Jahren angelegt (siehe. Abb.). Mit der Zeit wurde angenommen, dass es möglich ist, die Effizienz von 5-7% zu erreichen, wurden Generator TGK-3 für Radio ausgegeben. Solarzellenfläche von 360 Quadrat geschaffen. siehe das gab 0,175 Watt mit einem Wirkungsgrad von 0,59%. Man kann sehen, dass es deutlich zugenommen hat.

Zum Beispiel Kerosin Lampengenerator Ioffe Probe 50s Radio ermöglicht Beschickung bei einer Temperatur im internen junctions von 300-350 Grad Celsius und außen - im Bereich von 60. Dann haben wir die Fähigkeit bewiesen, Geräte zu schaffen, mit einem Wirkungsgrad von 8%. Geschichte der Entwicklung von thermoelektrischen Generatoren auf die neueste Zeit möglich im entsprechenden Abschnitt zu betrachten, und nun einen Blick auf den physikalischen Prozessen in den Leitern auftreten.

Wärmesensoren

Bis Anfang der 80er Jahre bis 40% aller Industrie erforderlichen Messungen der Temperatur und 2/3 der Anzahl von Sensoren auf dem Seebeck-Effekt arbeitet. Die Wissenschaftler kamen schnell zu dem Schluss, dass die geringe Effizienz durch hohe Präzision gerechtfertigt ist. In der UdSSR wäre es gelernt früher haben Mühe, die Arbeit von Georg Ohm frühen 20-er Jahren des XIX Jahrhunderts übersetzen ins Russische. Schütteln Anwendungsbreite DEVICES - von 0,5 bis 3000 K.

Rampant Industrialisierung hat die Notwendigkeit für neue Methoden zur Kontrolle der technologischen Prozesse verursacht. Für wachsende Horizonte nicht mit der Arbeiterklasse und die Menschen brauchen Erholung und Freizeit halten. In den Worten eines Schriftstellers haben wissenschaftliche Entdeckungen in den Vereinigten Staaten üblich geworden, wenn es möglich war, das Leben zu etablieren und die militanten Indianer zu beruhigen. Ohne Wissenschaft, hat das Land nicht entwickeln und die Gewinn nicht sehen, Freizeit und freie Zeit als wertvolle Ressource betrachtet werden. Die Vorteile der Sensoren auf dem Seebeck-Effekt sind:

1. Geringe Trägheit. Wenn durch die erste Produktstabilität erforderlich ist, sie bewusst umständlich, langsame Reaktion auf die äußere Umgebung, moderne Thermoelement (siehe machen. Fig.) Ist klein und wird in der Zusammensetzung und der Verbrauchervorrichtungen enthalten (beispielsweise Kühlschränken).
   

   modernes Thermoelement

2. Einfache Installation. Der Mann, der mit der Notwendigkeit konfrontiert wird, um den barometrischen Kühlschrank Thermostat zu ersetzen weiß, wie es ist schwierig und zeitaufwändiger Prozess. Das Thermoelement ist ein Schnitt des Drahtes verbunden ist, schnell und einfach.
3. Ein umfangreiches Angebot an Temperaturmessung hat unterstrichen. Heute, auch die Tester verkauften Verbraucher Thermoelement als Sensor. Die Reichweite ist abhängig von den Design-Merkmale, ist es einfach, erschwinglich und erweiterte Funktionen zu wählen.
4. Der technologische Prozess wird durch wiederholbare Parameter von Charge zu Charge Einheitlichkeit, Einfachheit der Herstellung, die Möglichkeit der Miniaturisierung, der geeignet ist für eine automatisierte Montage aus.

Diese Eigenschaften machen es möglich, flexibel, präzise und schnell Temperaturänderungen zu verfolgen. Die Empfindlichkeit des Produkts wird durch den Seebeck-Koeffizienten bestimmt wird, 100 mV / K erreicht Das Hauptmerkmal der Thermoelemente - Stabilitätsparameter in Abhängigkeit von dem mechanischen, thermischen, magnetischen und so weiter. Auswirkungen. Daher ist es nicht immer das Hauptmerkmal der Stabilität angesehen werden. Es ist manchmal zu Lasten der Effizienz durch eine Legierung mit maximaler Widerstandsfähigkeit gegen bestimmte externe Faktoren auswählen.

Wie funktioniert ein Thermoelement

Der Seebeck-Effekt ist lang ohne Erklärung geblieben. Heute unterscheidet zwei Theorien, die Prozesse zu beschreiben:

• kinetische (mikroskopische);
• thermodynamischen (makroskopische).

Dies deutet darauf hin, dass genaue Daten über den Wirkungsmechanismus des Thermoelementes in der Wissenschaft der heutigen nicht da ist.

einfache Erklärung

Erstens, anstatt in die komplexe Theorie zu stürzen, wird vorgeschlagen, die einfache Erklärung von den Studenten der verschiedenen Universitäten zu beachten. Professoren interpretieren ein Ereignis auf der Grundlage der thermionischen Emissionsphänomen und Elektronegativität von Metallen und Legierungen. Die erste ist bekannt, auf dem Licht schwebte werden, wenn die Glühbirne Filaments entwickelt. Voraussetzungen wurden Edison-Forschung. Elektronische Lampe funktioniert, weil im Vakuum vorgeheizten Elektrode beginnt Ladungsträger von der Oberfläche zu emittieren. Natürlich wurden bald etablierten Führer auf dem Gebiet wird die Oberfläche nun durch die Elektrolyse der richtigen Materialien abgedeckt.

Das Wesen der Wirkung der thermionischen Emissionen: Ladungsträger aufweisen Null Arbeitsfunktion des Kristallgitters. Es wird angenommen, dass bei normaler Temperatur oberhalb dem Metall schwebt eine dünne Elektronenwolke Oberfläche. Aber auf dem Körperbild der positiven Ladung auf dem Fall ist es nicht. Als Ergebnis Ausgangselektronenheizung wird die reine Energie und in der Lage, das Metall zu verlassen. Viel Intensität des Verfahrens wird bei einer Temperatur von 1000 K. beobachtet Die Arbeitsfunktion nicht das gleiche für Metalle ist, Wissenschaftler glauben, dass dies zum Teil auf Grund ihrer Elektronegativität ist.

Wenn die beiden Proben in Kontakt gebracht werden, beginnt der Umverteilungsprozess. Dies geschieht, bis eine dichte Elektronenwolke aus Metall die anderen ausgleicht. Der Prozess scheint vollständig zu sein. Aber... nur Seebeck entdeckt, dass die Wärmekosten machen. Rekombination auftritt, Fusion und Desintegration, als Ergebnis Thermoelement an dem Enden der Potentialdifferenz gebildet. Der Effekt wird durch die Verwendung von zwei oder mehr Kreuzungen verbessert. Was Physik in der ersten Hälfte des XIX Jahrhunderts zu tun. Dann wird die erste Thermoelementverbindung wird erhitzt, und das andere gekühlt.

Beim Erhitzen Kettdichte der Elektronenwolken der beiden Metalle stärker wird. Folglich erhöht die Potentialdifferenz. Energie beseitigt Wärmeenergie Stromquelle kompensiert. Seebeck-Effekt wird bei jeder Temperatur manifestiert, erhöht sich stark mit ihrer Erhöhung.

Die thermodynamische Theorie des Seebeck-Effekts

Thermodynamischen Theorie arbeitet mit gemeinsamen Werten: Fluss, Verläufe Kräfte. Durch Lösen der Gleichungen des Ohmschen Gesetzes auf die Beziehung zwischen Strom, Spannung, Widerstand und Fourier erhalten - Wärmestrom der Kommunikation und Temperaturgradienten. Eingeführt Sonderfaktoren mit bestimmten Namen:

• Isolierte Leitfähigkeit (Inverse des spezifischen Widerstands);
• Wärmeleitfähigkeit.

Die resultierende Gleichung ist eine Folge der Gegenwart einmal drei Effekte: Seebeck, Peltier und Lord Kelvin. Sie sind zum größten Teil experimentell, ohne eine Theorie festgelegt. Der Seebeck-Effekt ist bereits recht betrachtet, entdeckt Peltier die Bildung von Umkehrübergangstemperaturdifferenz durch den Strom. Thomson-Effekt kompliziert. Er argumentiert, dass, wenn es entlang (Differenz) der Leiter Temperaturgradient (freigegeben oder absorbiert) Wärme übertragen beginnt. geprüft und rechtlich in der thermodynamischen Theorie bewiesen:

1. Zwischen Metallen in einem geschlossenen Kreislauf aus unterschiedlichen Metallen bei der gleichen Temperatur EMF Nullsummen-. Dies ist ein Ausdruck des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik betrachtet. Die Arbeit ist nicht ohne Energieaufwand erfolgen. Was passiert bei der gleichen Temperatur junctions „Beweis: Wärmeübertragung aufgrund des aktuellen unmöglich wegen des Peltier-Effekts. Dies würde eine Erwärmung von einigen Bereichen und anderer Kühlung führen. Das würde die Übertragung von Wärme von den kälteren Stellen in Abwesenheit von einer externen Stromquelle bedeuten. Klimaanlage konnte nicht auf Strom betrieben werden, sondern durch eine spezielle Kabelverbindung. "
2. Magnus in dem geschlossenen Kreislauf aus dem gleichen Material ist nicht durch aktuelle Temperaturdifferenz unterstützt. Consequence des Gesetzes war die EMB nur in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Gangstemperaturen. Nicht über die Heizung oder Kühlung der äußeren Bedingungen des Leiters selbst kümmern.
3. Aufeinanderfolgende (Zwischen-) Temperatur: die algebraische Summe der EMK auf der Kontur im Bereich von T1 bis T3 ist, Die algebraische Summe der emf entlang der Kontur in Intervallen von T1 bis T2 und von T2 bis T3 gefaltet, mit beliebigen Werten von T1, T2 und T3.

Alle drei des Gesetzes argumentieren, dass die resultierende elektromotorische Kraft wird eine Funktion nur die Übergangstemperatur. Diese Postulate sind als Grundlage der Messungen erkannt, einschließlich dessen, was in Haushaltskühlschränken geschieht. Andere Behandlung: Thermoelement ist nicht notwendigerweise enthält zwei Metalle. Wenn Sie die Temperaturgradienten entlang der thermoelectrode messen wollen, ist es genug für ein Auftreten von EMF. Ein zweites Material wird die Ergebnisse in Verbindung. Dies ist der Fall eines degenerierten und sehr effizient Thermoelement, aus den Grundgleichungen der thermodynamischen Theorie ergeben. Folglich vorhergesagt analytisch die Wirkung.

Es wird im Bild unten im Hinblick auf die Komplexität der Aufnahme mathematischen Formeln Internet Auferlegung gemacht. Es ist zu sehen, dass in Abwesenheit des elektrischen Stroms die erste Gleichung der thermodynamischen Theorie ist vereinfacht. Daraus folgt, daß mit einer kleineren Strombegrenzung Versorgung die Spannung Analog-Digital-Umsetzer zu entfernen, Kühlschrank Bosch „Thermoelement“ aus einem einzigen Metallkosten.

Unterscheiden zwischen absoluten und relativen EMF. Die zweite bezieht sich auf ein Paar von Materialien und der ersten - kennzeichnet nur eine einzige. Absolute emf wird unter Verwendung von Standard gemessen, für die anderen Methoden gemessen bereits angegebenen Wert (Öl Öl). Aus den Experimenten ist ein Differential EMF, die den Wert berechnen kann. Standards zur Zeit erkannt:

• Für relativ hohe Temperaturen (über 100 K): Platin, Gold, Kupfer, Wolfram.
• Blei in anderen Fällen.

Bei sehr niedrigen Temperaturen von unter 20 K die absolute EMF direkt bestimmt. In einigen Materialien zu Null wird, und die Testprobe mit einem Paar von unmittelbar kommt auf den gewünschten Wert zu kombinieren. Die meisten Metalle absolute EMF im Bereich von 0 bis 80 mV / K.

kinetische Theorie

Die kinetische Theorie hat mit dem Nicht-Gleichgewichtszustand der Umwelt zu tun. Er studiert sie in Bewegung. Es basiert auf dem Bardeen-Cooper-Schrieffer, ist nicht so gut in der Öffentlichkeit bekannt. Unter Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeit akzeptierte Theorie, wird jedes Teilchen einzeln betrachtet, ohne Rücksicht auf die Gesamtleistung des Systems. Für diese Theorie mikroskopisch genannt.

Unter Berücksichtigung der Begriffe eingeführt: Cooper Elektronenpaar der Fermi-Fläche Debye Frequenz und so weiter. Theorie arbeitet probabilistische Gleichungen Positionen der Teilchen, die Funktion Boltzmann. Nach Vorstellungen der Wissenschaft zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts in jedem Metall gibt es eine gewisse Konzentration von Elektronen zufällig verstreut, aber das Boltzmann-Modell gehorchen. Diese verschiedenen Theorien wurden genannt:

• Krebs.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

Gemäß dem Boltzmann-Modell ist die durchschnittliche Translationsenergie der Bewegung der Teilchen 2/3 kT, wobei k - Boltzmannsche Konstante ist. thermo emf Nach dieser Auslegung ist eine Funktion der Konzentration der Teilchen in den beiden Metalle des Thermoelements und der Temperatur (siehe. Abb.). Es ist leicht zu überprüfen, ob die für das Metall präsentiert Formel nicht auf reale Beobachtungen entspricht. Dies wird durch einfaches Zählen der EMK-Werte auf Dividieren der Temperaturbereich und finden den Seebeck-Koeffizienten durchgeführt. Er deutlich überschätzt.

Kontroverse Formel Anfang des XX Jahrhunderts wurde Frenkel und Sommerfeldsche Theorie eliminiert (1927). Letzte Elektronen werden in dem Modell der Quantenstatistik des Fermi-Dirac gegeben. Sommerfeldsche Seebeck-Koeffizient ist eine sehr geringe Menge erhalten. Dies ist leicht durch die Tatsache erklärt, dass die Formel der kinetischen Theorie mit Elektronenkonzentrationen arbeitet direkt, aber sie sind schwer zu messen und zu verfolgen.

Halbleiter gehorchen besser die kinetische Theorie. Elektronen aus einem Material mit einer höheren Dichte diffus und für die Schnittstelle erreichen. Der Prozess wird fortgesetzt, solange das Zählerfeld „Emigration“ ausgleicht, den Bewegung Gegenstrom. Im Hinblick auf die Erläuterung des Prozesses der kinetischen Theorie von den Argumenten nicht anders ist, werfen die beiden Überschriften oben, aber es gibt Nuancen:

1. Mit erhöhter Konzentration von Trägern eines bestimmten Zeichen Strom trägt sie zu dem kalten Ende, aber es gibt bereits akkumulierte Ladung verhindert während des Prozesses. Die Träger der entgegengesetzten Vorzeichen, im Gegenteil, durch das Feld beschleunigt. Als Ergebnis fließen Zähler an der Grenze zwischen den Medien werden gleich sein, und die Potentialdifferenz ist ermittelten Temperaturwert.
2. Der Diffusionskoeffizient ist eng mit der Ladungsmobilität zugeordnet ist. Diese Beziehung wird durch Einstein gegründet. Die ungleichmäßige Konzentration erzeugt wird, wodurch der Temperaturgradient. Weniger beweglichen Ladungen bilden wegen der geringen Geschwindigkeit der Bewegung einer Art von Kork in seinem Weg. Das Gebiet dieser Ansammlung von Ladungsträgern mit entgegengesetzten Vorzeichen Flügel Partikeln. Im Ergebnis erreicht der Prozess Gleichgewicht.

Das Vorhandensein von zwei Trägersymbolen aufgrund der hohen Seebeck-Koeffizienten in dem Halbleiter. In Metalle haben eine erhöhte Konzentration von Elektronen 10 Sextillionen pro Kubikzentimeter erreicht. Folglich können die Temperaturschwankungen der Figuren nicht groß sein, was die niedrigen Seebeck-Koeffizienten von Metallen erläutert.