Effet Seebeck

effet Seebeck - est la formation d'une différence de potentiel à l'interface limite de deux matériaux différents en chauffant l'art.

de l'histoire

L'histoire ne dit rien, il voulait obtenir le Seebeck en 1822, lorsqu'il est réchauffé le contact de l'antimoine et le bismuth. Peut-être l'effet est le résultat de coïncidences aléatoires, comme cela arrive souvent, et comment il est arrivé à Oersted de la flèche de la boussole. Le galvanomètre Seebeck enregistré lorsqu'une main se tenait la jonction du thermocouple. Il est considéré comme une heureuse coïncidence, il est obligé de posséder une conception de la boussole avec succès. Le dispositif est composée de deux moitiés: une structure métallique, le bord d'un autre couvercle en verre. Reposer sa main sur la propriété, Seebeck ladite déviation de l'aiguille magnétique de sa position initiale. Certes, la différence n'a pas été trop sensible, mais le scientifique répéter patiemment l'expérience de regarder le résultat.

La figure montre que la lampe d'affichage provoque la déviation significative du méridien magnétique. Cela est dû au courant de champ qui coule. Staple, adhérer flèche ci-dessus, porte des charges (de signe positif) dans ladite direction. Crée un champ magnétique circulaire qui change les lectures du compas. On ne sait pas avec certitude si la boussole a été faite à partir de l'antimoine et le bismuth ou Seebeck trouvé des matériaux plus tard en privé, mais encore thermocouples sont souvent faites de ces métaux. La combinaison a été choisie pour son efficacité.

L'utilisation de générateurs thermoélectriques

Expérimenter, nous avons constaté que l'efficacité du thermocouple atteint près de 3%. Au début du XIXe siècle, il est assez décent, capable de rivaliser avec un moteur à vapeur. Dans la littérature soviétique fournit des informations que l'efficacité thermo-électrique n'a pas atteint 0,5%. Tout d'abord, il est pas toujours ce qui concerne thermocouples séparés, et, d'autre part, est considéré comme la propagande communiste. À l'époque soviétique, la marque des ordinateurs personnels (un concept développé en URSS), et maintenant tout fonctionnaire dispose d'un ordinateur portable flambant neuf de la Corée ou aux États-Unis. Les auteurs sont plus susceptibles de compter sur des sources étrangères, des personnalités de la région de 3%.

Georg Ohm, en utilisant un thermocouple, a ouvert la loi bien connue, Faraday les a utilisés pour la recherche d'électrolyse. Les scientifiques rapidement acquis un goût pour et par le milieu du XIXe siècle, étaient déjà présents thermoélectriques assez grande performance - et pour le revêtement de pièces métalliques. Avec rapport thermocouple Seebeck devenir partie intégrante des installations expérimentales si nécessaire pour obtenir la stabilité. Et au début du XX siècle, nous avons créé un tableau de structures.

Le magazine russe a écrit sur l'éclairage four thermo-électrique, la batterie Gyulhera est utilisé pour charger les batteries. L'intérêt dans ce domaine un peu affaibli après l'invention du moteur à combustion interne et moteurs électriques, mais dans les thermocouples du monde moderne sont considérés comme des sources d'énergie prometteuses pour le développement de la vue. Cependant, la perspective d'utiliser les rayons du soleil semblait attrayante, même au début du XX siècle. Les premières données expérimentales publiées en 1922 étaient les suivantes: « 105 L'appareil de thermocouples (cuivre-constantan), une superficie de 1 m². cm chacune, ce qui démontre l'efficacité de 0,008%, à midi, donnant de l'énergie d'environ 61 mW ».

En même temps, l'effet Seebeck a commencé à être utilisé pour alimenter les radios portables. Le sujet des générateurs thermoélectriques représentés reklamka ce temps. Dans les lecteurs anglais simple sont donnés pour comprendre que la nouvelle alimentation est bon d'écouter les dernières nouvelles. Pas étonnant que, dans un court laps de temps et paru dans le Journal URSS note les amateurs, il a été signalé que la lampe à pétrole à la chaleur peut raisonnablement être utilisé pour des circuits d'électronique de puissance. Czeczik dans la revue « Les pauvres » (1928) fait état d'un générateur de sa propre conception des thermocouples fer-nickel. Le même genre de l'article paru dans au numéro 13, le magazine « Radifront » en 1937.

générateurs d'après-guerre effet Seebeck ont ​​un effet bénéfique dans la quantité de 1 Watt pour poids de 1 kg. Mais l'efficacité est encore faible. Dans un droit de la littérature russe - articles soviétiques ne se sont pas en avance sur le reste. Déjà au cours de la Seconde Guerre mondiale, l'effet Seebeck fourni l'énergie calme des opérateurs radio, se réchauffer à un feu dans une période troublée. Considéré comme la possibilité d'utiliser à nouveau, de nombreux manuels de physique contiennent des informations sur le générateur Joffe, créé au début des années 50 (voir. Fig.). Au moment où on croyait qu'il est possible d'atteindre une efficacité de 5-7%, ont été émis générateur TGK-3 pour la radio. zone de cellule solaire de 360 ​​carrés a été créé. voir qui a donné 0,175 watts à une efficacité de 0.59%. On peut voir qu'il a considérablement augmenté.

Par exemple, le générateur de lampe à pétrole échantillon Radio 50s Ioffe permettre l'alimentation à une température dans les jonctions internes de 300-350 degrés Celsius et externe - de l'ordre de 60. Ensuite, nous avons la capacité éprouvée de créer des dispositifs avec un rendement de 8%. Histoire du développement des générateurs thermoélectriques au plus tard possible de contempler dans la section correspondante, et regardez maintenant les processus physiques qui se produisent dans les conducteurs.

Des capteurs thermiques

Au début des années 80 à 40% de toutes les mesures industrielles nécessaires à la température et 2/3 de ce nombre de capteurs travaillant sur l'effet Seebeck. Les scientifiques sont rapidement venus à la conclusion que la faible efficacité est justifiée par une grande précision. En URSS, il aurait appris plus tôt la peine de traduire en russe le travail des premiers 20-s du XIXe siècle de Georg Ohm. Poignée de largeur de dispositifs d'application - de 0,5 à 3000 K.

l'industrialisation galopante a provoqué la nécessité de nouvelles méthodes pour le contrôle des processus technologiques. Pour horizons de plus en plus pas suivre la classe ouvrière et le peuple dans le besoin de repos et de loisirs. Pour reprendre les mots d'un écrivain, les découvertes scientifiques sont devenus monnaie courante aux États-Unis, où il était possible d'établir la vie et de calmer les Indiens militants. Sans la science, le pays ne se développe pas et ne voit pas le profit, les loisirs et le temps libre est considéré comme une ressource précieuse. Les avantages des capteurs sur l'effet Seebeck sont les suivants:

1. Faible inertie. Si nécessaire par la première stabilité du produit, ce qui les rend volontairement une réponse lourde, lente à l'environnement extérieur, thermocouple moderne (voir. Fig.) Est de petite taille et est inclus dans les dispositifs de composition et de consommation (par exemple, un réfrigérateur).
   

   thermocouple moderne

2. Facilité d'installation. L'homme qui est confronté à la nécessité de remplacer le thermostat du réfrigérateur barométrique sait combien il est difficile et fastidieux processus. Le thermocouple est relié une coupe du fil, rapidement et facilement.
3. Une gamme étendue de mesure de la température a souligné. Aujourd'hui, même les testeurs vendus thermocouple à la consommation comme capteur. La gamme dépend des caractéristiques de conception, il est facile de sélectionner les fonctions avancées et abordables.
4. Le processus technologique est caractérisée par des paramètres reproductibles d'un lot à l'uniformité de lot, la facilité de fabrication, la possibilité de miniaturisation, adapté à un montage automatisé.

Ces caractéristiques permettent de souplesse, avec précision et un suivi rapide des changements de température. La sensibilité du produit est déterminée par le coefficient Seebeck, pour atteindre 100 mV / K. La caractéristique principale de thermocouples - paramètre de stabilité en fonction de la mécanique, thermique, magnétique, et ainsi de suite. impacts. il est donc pas toujours considéré comme la caractéristique principale de la stabilité. Il est parfois au détriment de l'efficacité de la sélection d'un alliage ayant une résistance maximale à certains facteurs extérieurs.

Comment un thermocouple

L'effet Seebeck est resté longtemps sans explication. Aujourd'hui distinguer deux théories décrivant les processus:

• cinétique (microscopique);
• thermodynamique (macroscopique).

Cela suggère que des données précises sur le mécanisme d'action du thermocouple dans la science d'aujourd'hui ne sont pas là.

explication simple

Tout d'abord, plutôt que de plonger dans la théorie complexe, il est proposé de considérer l'explication simple donnée par les étudiants de diverses universités. Professeurs interprètent un événement, basé sur le phénomène d'émission thermoionique et électronégativité des métaux et alliages. La première est connue pour être introduite à la lumière lorsque le filament d'ampoule développé. La recherche est devenue conditions d'Edison. travaux de lampe électroniques sous vide car l'électrode préchauffé commence à émettre des porteurs de charge de la surface. Bien sûr, furent bientôt leaders établis sur le terrain, la surface est maintenant couvert par l'électrolyse des matériaux.

L'essence de l'effet des émissions thermoionique: porteurs de charge présentent zéro la fonction de travail du réseau cristallin. On pense que, à la température normale plane au-dessus de la surface métallique d'une mince nuage d'électrons. Mais sur l'image du corps de la charge positive sur l'affaire n'est pas. Par conséquent, le chauffage électronique de sortie reçoit de l'énergie et capables de laisser le métal. Une grande partie de l'intensité du processus est observé à une température de 1000 K. La fonction de travail ne sont pas les mêmes pour les métaux, les scientifiques pensent que cela est dû en partie à leur électronégativité.

Lorsque les deux échantillons sont mis en contact, le processus de redistribution commence. Cela se produit jusqu'à ce qu'un nuage d'électrons dense de métal équilibre l'autre. Le processus semble être complet. Mais... juste Seebeck a découvert que la chaleur fait des charges. La recombinaison se produit, la fusion et la désintégration, à la suite de thermocouple formées au niveau des extrémités de la différence de potentiel. L'effet est renforcé en utilisant deux ou plusieurs jonctions. Que faire de la physique dans la première partie du XIXe siècle. Ensuite, la première jonction du thermocouple est chauffé et refroidi l'autre.

Lorsqu'il est chauffé, la densité de chaîne des nuages ​​électroniques des deux métaux se renforce. Par conséquent, la différence de potentiel augmente. L'énergie enlève l'énergie thermique est compensée source de courant. effet Seebeck se manifeste à toute température, augmente fortement avec l'augmentation.

La théorie thermodynamique de l'effet Seebeck

la théorie fonctionne avec Thermodynamique des valeurs communes: le flux, les forces de gradients. En résolvant les équations obtenues à la loi d'Ohm sur la relation entre le courant, la tension, la résistance et de Fourier - le flux de chaleur de la communication et de gradient de température. facteurs spéciaux avec des noms spécifiques: Introduit

• conductivité isolée (inverse de la résistivité);
• conductivité thermique.

L'équation qui en résulte est une conséquence de la présence d'une fois trois effets: Seebeck, Peltier et Lord Kelvin. Ils sont fixés pour la plupart expérimentale, sans théorie. L'effet Seebeck est déjà assez considéré, Peltier a découvert la formation de la différence de température de jonction inverse par le courant. effet Thomson complexe. Il fait valoir que, lorsqu'il ya chaleur le long (différence) le gradient de température du conducteur COMMENCE transféré (libéré ou absorbé). examiné et prouvé en droit dans la théorie thermodynamique:

1. métaux intermédiaire dans un circuit fermé en métaux différents à la même température somme EMF zéro. Ceci est considéré comme une expression de la seconde loi de la thermodynamique. Le travail ne se fait pas sans dépense d'énergie. Qu'est-ce qui se passe au même jonctions de température « Preuve: transfert de chaleur en raison de l'impossible courant en raison de l'effet Peltier. Cela provoquerait un réchauffement de certaines zones et autres refroidissement. Cela signifierait le transfert de chaleur des endroits les plus froids en l'absence d'une source d'alimentation externe. Air conditionné ne pouvait fonctionner à l'électricité, mais en raison d'un câblage spécial connexions ".
2. Magnus dans la boucle fermée du même matériau ne sera pas supporté par la différence de température actuelle. Consequence de la loi était la FEM ne dépend que de la différence entre les températures de jonction. Ne vous inquiétez pas le chauffage ou le refroidissement des conditions extérieures des conducteurs eux-mêmes.
3. Successifs (intermédiaire) Température: la somme algébrique de la force électromotrice sur le contour de l'ordre de T1 à T3 est La somme algébrique de la force électromotrice pliée le long du contour à des intervalles de T1 à T2 et T2 à partir de T3, avec les valeurs de T1, T2 et T3.

Tous les trois de la loi font valoir que la force électromotrice résultante devient une fonction de seulement la température de jonction. Ces postulats sont reconnus comme la base de mesures, y compris ce qui se passe dans les réfrigérateurs domestiques. Autre traitement: thermocouple ne contient nécessairement deux métaux. Si vous voulez mesurer le gradient de température le long de la thermoelectrode, il suffit d'une occurrence des champs électromagnétiques. Un second matériau communiquera avec les résultats. Tel est le cas d'un thermocouple dégénéré et tout à fait efficace, issu des équations fondamentales de la théorie thermodynamique. Par conséquent, l'effet prédit analytiquement.

Il est fait à l'image ci-dessous, compte tenu de la complexité de l'enregistrement des formules mathématiques imposition Internet. On voit que, en l'absence de courant électrique la première équation de la théorie thermodynamique est simplifiée. Il en résulte que le retrait du convertisseur de tension analogique-numérique avec une plus petite alimentation en courant limite, réfrigérateur Bosch tarif « thermocouple » d'un seul métal.

La distinction entre la FEM absolue et relative. La seconde fait référence à une paire de matériaux, et la première - caractérise un seul. est mesurée en utilisant la norme absolue emf, pour lesquels d'autres méthodes déjà indiquées valeur mesurée (huile de pétrole). D'après les expériences est une FEM différentielle, qui permet de calculer la valeur. Normes actuellement reconnues:

• Pour des températures relativement élevées (supérieures à 100 K): le platine, l'or, le cuivre, le tungstène.
• Le plomb dans les autres cas.

A des températures très basses inférieures à 20 K, la FEM absolue est déterminée directement. Dans certains matériaux devient nulle et, en combinant l'échantillon d'essai avec une paire de venir immédiatement à la valeur désirée. La plupart des métaux EMF absolue dans la plage de 0 à 80 mV / K.

théorie cinétique

La théorie cinétique a à voir avec l'état de non-équilibre de l'environnement. Il les étudie en mouvement. Il est basé sur la Bardeen-Cooper-Schrieffer, ne sont pas si bien connu du public. En contrepartie de la théorie acceptée de probabilité, chaque particule est considérée individuellement, sans tenir compte de la performance globale du système. Pour cette théorie appelée microscopique.

Compte tenu des concepts introduits: Cooper paire d'électrons, la fréquence de Debye de surface de Fermi et ainsi de suite. Théorie opère positions équations probabilistes des particules, la fonction Boltzmann. Selon les représentations de la science au début du XX siècle dans chaque métal il y a une certaine concentration d'électrons dispersés au hasard, mais obéissent au modèle Boltzmann. Ces diverses théories ont été nommés:

• Cancer.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

Selon le modèle de Boltzmann, l'énergie de translation moyenne du mouvement des particules est de 2/3 kT où k - est la constante de Boltzmann. Selon cette interprétation tension thermoélectrique est une fonction de la concentration de particules dans les deux métaux du thermocouple et de la température (voir. Fig.). Il est facile de vérifier que la formule présentée pour le métal ne correspond pas aux observations réelles. Ceci est réalisé en comptant simplement les valeurs de fem sur la division de la plage de température et trouver le coefficient Seebeck. Il a clairement surestimée.

Controverse début de la formule du XX siècle a été éliminé la théorie de Frenkel et Sommerfeld (1927). électrons derniers sont placés dans le modèle de la statistique quantique de Fermi-Dirac. coefficient Sommerfeld Seebeck est obtenu une très faible quantité. Ceci est facilement explicable par le fait que la formule de la théorie cinétique fonctionnent avec des concentrations d'électrons directement, mais ils sont difficiles à mesurer et de suivre.

Semi-conducteurs mieux obéir à la théorie cinétique. Les électrons d'un matériau ayant une densité plus élevée diffuse et d'atteindre pour l'interface. Le processus se poursuit aussi longtemps que le champ de compteur « émigrés » contrebalance le contre-courant du mouvement. En termes d'expliquer le processus de la théorie cinétique ne diffère pas des arguments, jeter les deux rubriques ci-dessus, mais il y a des nuances:

1. Avec une concentration accrue des porteurs d'un flux de signe particulier les porte à l'extrémité froide, mais il y a déjà une charge accumulée empêche au cours du processus. Les porteurs du signe opposé, au contraire, accélérés par le champ. En conséquence, les contre-flux à la frontière entre le support sera égal, et la différence de potentiel est une valeur de température déterminée.
2. Le coefficient de diffusion est étroitement liée à la mobilité de charge. Cette relation est établie par Einstein. La concentration irrégulière est créée, donc le gradient de température. charges moins mobiles forment une sorte de liège dans son chemin en raison de la faible vitesse de déplacement. Le champ de cette accumulation de porteurs de charge de particules d'ailes de signe opposé. En conséquence, le processus a atteint son équilibre.

La présence de deux symboles de support en raison des coefficients élevés de Seebeck dans le semi-conducteur. Dans les métaux ont une concentration accrue d'électrons atteint 10 sextillions par centimètre cube. Par conséquent, les variations de température des chiffres ne peuvent pas être grande, ce qui explique le faible coefficient Seebeck des métaux.