Effetto Seebeck

Seebeck effetto - è la formazione di una differenza di potenziale all'interfaccia confine tra due materiali diversi riscaldando l'arte.

dalla storia

La storia è silenzioso, voleva ottenere il Seebeck nel 1822, quando riscaldato contatto da antimonio e bismuto. Forse l'effetto è stato il risultato di coincidenze casuali, come spesso accade, e come è avvenuto in Oersted della freccia della bussola. Il galvanometro Seebeck registrato quando una mano teneva la giunzione di termocoppia. E 'considerato una felice coincidenza, egli è obbligato a possedere un disegno bussola di successo. Il dispositivo era costituito da due parti: un telaio metallico, il bordo di un altro coperchio di vetro. Appoggiata la mano sulla proprietà, Seebeck detto deviazione dell'ago magnetico dalla sua posizione iniziale. Sicuramente la differenza non era troppo evidente, ma lo scienziato con pazienza di ripetere l'esperienza di guardare il risultato.

La figura mostra che la spia luminosa provoca significativa flessione del meridiano magnetico. Ciò è dovuto alla corrente di campo che scorre. Fiocco, aderire freccia sopra, comporta oneri (segno positivo) in detta direzione. Crea un campo magnetico circolare che cambia le letture della bussola. Non si sa con certezza se la bussola è stata fatta da antimonio e bismuto o Seebeck trovato materiali tardi in privato, ma ancora termocoppie sono spesso fatti di questi metalli. La combinazione è selezionato per la sua alta efficienza.

L'uso di generatori termoelettrici

La sperimentazione, abbiamo scoperto che l'efficienza della termocoppia raggiunge quasi il 3%. Agli inizi del XIX secolo, è abbastanza decente, in grado di competere con qualsiasi motore a vapore. In letteratura sovietica fornisce informazioni che l'efficienza termoelettrica non ha raggiunto lo 0,5%. In primo luogo, non è sempre riguarda termocoppie separati, e, in secondo luogo, è considerato propaganda comunista. In epoca sovietica, di marca personal computer (un concetto sviluppato in URSS), e ora qualsiasi funzionario vanta un nuovo computer portatile dalla Corea o negli Stati Uniti. Gli autori sono più propensi a fare affidamento su fonti straniere, figure di spicco nella regione del 3%.

Georg Ohm, utilizzando una termocoppia, ha aperto la ben nota legge, Faraday li ha usati per la ricerca di elettrolisi. Gli scienziati hanno acquisito rapidamente un gusto per, e verso la metà del XIX secolo erano già presenti generatori termoelettrici grandi prestazioni abbastanza - e per il rivestimento delle parti metalliche. Con la relazione Seebeck termocoppia diventare parte integrante delle strutture sperimentali dove richiesto per ottenere la stabilità. E con l'inizio del XX secolo abbiamo creato un array di strutture.

La rivista russa ha scritto su illuminazione forno termoelettrica, la batteria Gyulhera viene utilizzato per caricare le batterie. In questa area leggermente indebolito dopo l'invenzione del motore a combustione interna e motori elettrici, ma nelle moderne termocoppie mondo sono considerati generatori promettenti per lo sviluppo di vista. Tuttavia, la prospettiva di utilizzare i raggi del sole sembrava attraente, anche agli inizi del XX secolo. I primi dati sperimentali pubblicati nel 1922 sono state: "L'apparato 105 di termocoppie (rame-costantana), una superficie di 1 mq. cm ciascuno, a dimostrazione della efficienza del 0,008%, a mezzogiorno dando energia di circa 61 mW. "

Allo stesso tempo, l'effetto Seebeck cominciò ad essere usato per alimentare le radio portatili. Il tema di generatori termoelettrici mostrato reklamka quel momento. In parole povere i lettori sono dati per capire che il nuovo alimentatore è buono per ascoltare le ultime notizie. Non c'è da stupirsi che in breve tempo ed è apparso in URSS Journal osserva amanti, è stato riferito che la lampada a petrolio calore può ragionevolmente essere utilizzato per i circuiti elettronici di potenza. Czeczik sulla rivista "Il povero" (1928) ha riportato un generatore di propria progettazione delle termocoppie ferro-nichel. Lo stesso tipo di articolo è apparso al numero 13, la rivista "Radifront" nel 1937.

generatori dopoguerra effetto Seebeck dato un effetto benefico nella quantità di 1 Watt per 1 kg di peso. Ma l'efficienza è ancora bassa. In quello russo destra letteratura - articoli sovietici non sono andate avanti rispetto al resto. Già durante la seconda guerra mondiale, l'effetto Seebeck fornito l'energia tranquilla di operatori radio, si scaldano ad un fuoco in un periodo travagliato. Considerata la possibilità di utilizzare ancora una volta, molti libri di testo di fisica contengono informazioni sul generatore di Joffe, creato nei primi anni '50 (vedi. Fig.). Con il tempo si è creduto che è possibile per raggiungere l'efficienza del 5-7%, sono stati emessi generatore di TGK-3 per la radio. area di cella solare 360 ​​quadrato è stato creato. vedere che ha dato 0.175 watt a un rendimento del 0,59%. Si vede che ha aumentato in modo significativo.

Ad esempio, generatore lampada cherosene Ioffe 50s Campione radio consentono mangime alla temperatura nelle giunzioni interne di 300-350 gradi Celsius ed esterni - nell'intervallo di 60. Poi abbiamo dimostrato capacità di creare dispositivi con un'efficienza del 8%. La storia dello sviluppo di generatori termoelettrici per l'ultimo tempo possibile contemplare nella relativa sezione, e ora guardare ai processi fisici che avvengono nei conduttori.

sensori termici

All'inizio degli anni '80 al 40% di tutte le misurazioni industriali necessarie sulla temperatura e 2/3 di quel numero di sensori che agiscono sull'effetto Seebeck. Gli scienziati sono venuti rapidamente alla conclusione che la scarsa efficienza è giustificato da alta precisione. In URSS, avrebbe imparato presto preoccuparsi di tradurre in russo il lavoro dei primi 20-zioni del XIX secolo di Georg Ohm. Scuotendo ampiezza di dispositivi di applicazione - ,5-3.000 K.

industrializzazione dilagante ha causato la necessità di nuovi metodi per il controllo di processi tecnologici. Per la coltivazione di orizzonti non tenere il passo con la classe operaia e le persone che hanno bisogno di riposo e di svago. Nelle parole di uno scrittore, le scoperte scientifiche sono diventati comuni negli Stati Uniti, quando è stato possibile stabilire la vita e per calmare gli indiani militanti. Senza la scienza, il paese non si sviluppa e non vede il profitto, svago e tempo libero è considerato come una risorsa preziosa. I vantaggi dei sensori sull'effetto Seebeck sono:

1. Bassa inerzia. Se richiesto dal primo stabilità del prodotto, rendendoli deliberatamente ingombrante, lenta risposta all'ambiente esterno, termocoppia moderna (cfr. Fig.) È di piccole dimensioni ed è incluso nella composizione e dei consumatori dispositivi (per esempio frigoriferi).
   

   termocoppia moderno

2. Facilità di installazione. L'uomo che si trova di fronte alla necessità di sostituire il termostato frigorifero barometrica sa come sia difficile e lungo processo. La termocoppia è collegato un taglio del filo, in modo rapido e semplice.
3. Una vasta gamma di misurazione della temperatura ha sottolineato. Oggi, anche i tester venduti termocoppia consumatore come sensore. La gamma dipende dalle caratteristiche del progetto, è facile selezionare le funzioni accessibili e avanzate.
4. Il processo tecnologico è caratterizzato da parametri ripetibili da lotto a lotto uniformità, facilità di fabbricazione, la possibilità di miniaturizzazione, adatto per l'assemblaggio automatico.

Queste caratteristiche lo rendono possibile in modo flessibile, preciso e veloce tenere traccia delle modifiche di temperatura. La sensibilità del prodotto è determinata dal coefficiente Seebeck, raggiungendo 100 mV / K. La caratteristica principale di termocoppie - parametro stabilità seconda del meccanico, termico, magnetico, ecc. impatti. Pertanto non è sempre considerata la caratteristica principale della stabilità. È talvolta a scapito dell'efficienza selezionando una lega con la massima resistenza a determinati fattori esterni.

Come fa una termocoppia

L'effetto Seebeck è rimasta a lungo senza alcuna spiegazione. Oggi distinguere due teorie che descrivono i processi:

• cinetica (microscopico);
• termodinamico (macroscopica).

Ciò suggerisce che i dati precisi sulla meccanismo d'azione della termocoppia nella scienza di oggi non c'è.

semplice spiegazione

In primo luogo, piuttosto che immergersi nel complessa teoria, si propone di prendere in considerazione il semplice spiegazione data dagli studenti di varie università. Professori interpretano un evento, basato sul fenomeno emissione termoionica e elettronegatività di metalli e leghe. Il primo è noto per essere quotata in luce quando il filamento luce sviluppato. Presupposti divennero la ricerca di Edison. opere elettroniche lampada perché in vacuo elettrodo preriscaldato comincia ad emettere portatori di carica dalla superficie. leader Naturalmente, furono ben presto affermata nel settore, la superficie è ora coperto dalla elettrolisi dei materiali giusti.

L'essenza dell'effetto delle emissioni termoionico: portatori di carica esporre a zero funzione lavoro del reticolo cristallino. Si ritiene che a temperatura normale passa sopra il metallo superficie una nuvola di elettroni sottile. Ma l'immagine del corpo della carica positiva sul caso su non lo è. Come risultato, riscaldamento elettroni uscita ottiene l'energia e in grado di lasciare il metallo. Molto intensità del processo si osserva ad una temperatura di 1000 K. La funzione di lavoro non è lo stesso per i metalli, gli scienziati ritengono che questo è in parte a causa della loro elettronegatività.

Quando i due campioni vengono posti a contatto, il processo di ridistribuzione comincia. Ciò si verifica fino a quando una nube di elettroni densa di metallo equilibra l'altro. Il processo sembra essere completo. Ma... solo Seebeck scoperto che il calore rende costi di ricarica. Ricombinazione si verifica, la fusione e la disintegrazione, come risultato di termocoppia formate alle estremità della differenza di potenziale. L'effetto è aumentata attraverso due o più giunzioni. Cosa fare la fisica nella prima metà del XIX secolo. Quindi la prima giunzione di termocoppia viene riscaldata e l'altra raffreddato.

Una volta riscaldato, densità di ordito delle nuvole elettroniche dei due metalli si rafforza. Di conseguenza, la differenza di potenziale aumenta. Energia rimuove energia termica viene compensato generatore di corrente. effetto Seebeck si manifesta a qualsiasi temperatura, aumenta fortemente con il suo aumento.

La teoria termodinamica dell'effetto Seebeck

teoria termodinamica opera con valori comuni: il flusso, le forze di gradienti. Risolvendo equazioni ottenute legge di Ohm sul rapporto tra corrente, tensione, resistenza e Fourier - flusso di calore di comunicazione e gradiente di temperatura. fattori speciali introdotte con nomi specifici:

• conducibilità isolati (inverso della resistività);
• conducibilità termica.

L'equazione risultante è una conseguenza della presenza di un tempo tre effetti: Seebeck, Peltier e Lord Kelvin. Essi sono impostati per la maggior parte sperimentale, senza una teoria. L'effetto Seebeck è già abbastanza considerata, Peltier scoperto la formazione di differenza di temperatura di giunzione inverso dalla corrente. effetto Thomson intricata. Egli sostiene che quando là lungo (differenza) il gradiente di temperatura del conduttore comincia a trasferire (rilasciata o assorbita) calore. esaminato e provato in diritto nella teoria termodinamica:

1. metalli intermedi in un circuito chiuso costituito da metalli diversi alla stessa temperatura EMF somma zero. Questo è considerato un'espressione della seconda legge della termodinamica. Il lavoro non è finito senza il dispendio di energia. Cosa accade alla stessa temperatura incroci "Proof: trasferimento di calore dovuta alla corrente impossibile a causa dell'effetto Peltier. Ciò causerebbe un riscaldamento di alcune aree e altre raffreddamento. Ciò significherebbe il trasferimento di calore dai luoghi più freddi in assenza di una fonte di alimentazione esterna. L'aria condizionata non potrebbe funzionare con l'elettricità, ma a causa di uno speciale collegamenti elettrici. "
2. Magnus nell'anello chiuso dello stesso materiale non è supportato dalla differenza di temperatura attuale. Conseguenza della legge era l'EMF dipende solo dalla differenza tra le temperature di giunzione. Non preoccuparti per il riscaldamento o il raffreddamento delle condizioni esterne dei conduttori stessi.
3. Successive (intermedio) Temperatura: la somma algebrica della fem sul contorno nell'intervallo da T1 a T3 è La somma algebrica della fem piegato lungo il contorno ad intervalli da T1 a T2 e T3 da T2 a, con qualsiasi valore di T1, T2 e T3.

Tutti e tre legge sostengono che la forza elettromotrice risultante diventa una funzione della sola temperatura di giunzione. Questi postulati sono riconosciuti come base di misure, tra cui quello che sta accadendo in frigoriferi domestici. Altro trattamento: termocoppia non è necessariamente contiene due metalli. Se si vuole misurare il gradiente di temperatura lungo la thermoelectrode, è sufficiente per un'occorrenza di campi elettromagnetici. Un secondo materiale si metterà in contatto i risultati. Questo è il caso di un degenerato e molto efficiente termocoppia, derivante dalle equazioni fondamentali della teoria termodinamica. Di conseguenza, l'effetto previsto analiticamente.

Si è fatto a immagine di seguito in considerazione della complessità della registrazione formule matematiche Internet imposizione. Si è visto che, in assenza di corrente elettrica prima equazione della teoria termodinamica è semplificata. Ne consegue che la rimozione della tensione convertitore analogico-digitale con una fornitura limite di corrente minore, frigorifero Bosch costa "termocoppia" di un singolo metallo.

Distinguere tra EMF assoluta e relativa. La seconda si riferisce ad una coppia di materiali, e il primo - caratterizza una sola. fem assoluta viene misurata usando standard che altri metodi già misurati indicati valore (olio). Dagli esperimenti è un EMF differenziale, che permette di calcolare il valore. Norme attualmente riconosciute:

• Per temperature relativamente elevate (superiori a 100 K): platino, oro, rame, tungsteno.
• Piombo in altri casi.

A bassissime temperature inferiori a 20 K la FEM assoluto è determinata direttamente. In alcuni materiali diventa zero e, combinando il campione con un paio di immediatamente venire al valore desiderato. La maggior parte dei metalli EMF assoluta nella gamma da 0 a 80 mV / K.

teoria cinetica

La teoria cinetica ha a che fare con lo stato di non-equilibrio dell'ambiente. Egli li studia in movimento. Essa si basa sul Bardeen-Cooper-Schrieffer, non è così ben noto al grande pubblico. In considerazione della teoria accettata probabilità, ogni particella è considerato singolarmente, senza riguardo per le prestazioni complessive del sistema. Per questo teoria chiamata microscopica.

In considerazione dei concetti introdotti: Cooper coppia di elettroni superficie frequenza Fermi Debye e così via. Teoria funziona equazioni probabilistici posizioni delle particelle, la funzione di Boltzmann. Secondo le rappresentazioni della scienza all'inizio del XX secolo in ogni metallo esiste una certa concentrazione di elettroni sparsi a caso, ma obbediscono al modello di Boltzmann. Queste teorie diverse sono stati nominati:

• Cancro.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

Secondo il modello Boltzmann, l'energia media traslazionale di movimento delle particelle è 2/3 kT, dove k - è la costante di Boltzmann. Secondo questa interpretazione fem termoelettrica è una funzione della concentrazione di particelle in due metalli della termocoppia e temperatura (vedi. Fig.). È facile verificare che la formula proposta per il metallo non corrisponde alle osservazioni reali. Questa operazione viene eseguita semplicemente contando i valori FEM sulla dividendo il campo di temperatura e trovare il coefficiente Seebeck. Egli chiaramente sopravvalutato.

Polemica formula inizi del XX secolo è stato eliminato Frenkel e la teoria di Sommerfeld (1927). Ultimi elettroni vengono inseriti nel modello di statistica quantistica di Fermi-Dirac. coefficiente Seebeck Sommerfeld si ottiene una quantità molto piccola. Ciò è facilmente spiegabile con il fatto che la formula della teoria cinetica operare con concentrazioni di elettroni direttamente, ma sono difficili da misurare e monitorare.

Semiconduttori meglio obbediscono alla teoria cinetica. Elettroni da un materiale con una maggiore densità diffusa e raggiungere per l'interfaccia. Il processo continua fino a quando il campo di contatore "emigranti" controbilancia flusso contatore movimento. In termini di spiegare il processo della teoria cinetica non è diverso dagli argomenti, il cast dei due titoli sopra, ma ci sono sfumature:

1. Con l'aumento della concentrazione di portatori di un particolare flusso segno li porta a fine freddo, ma la carica vi sono già accumulati impedisce durante il processo. I vettori di segno opposto, al contrario, accelerati dal campo. Come risultato, contatore scorre al confine tra i media sarà pari, e la differenza di potenziale è determinato valore di temperatura.
2. Il coefficiente di diffusione è strettamente associato con la mobilità di carica. Questa relazione è stabilita da Einstein. La concentrazione irregolare viene creato, così il gradiente di temperatura. Meno spese mobili formano una sorta di sughero nel suo percorso a causa della bassa velocità di movimento. Il campo di questo accumulo di portatori di carica di particelle opposte ali segno. Di conseguenza, il processo raggiunge l'equilibrio.

La presenza di due simboli portanti a causa degli elevati coefficienti di Seebeck nel semiconduttore. Nei metalli hanno una maggiore concentrazione di elettroni raggiunge i 10 sestilioni per centimetro cubo. Di conseguenza, le oscillazioni di temperatura delle figure non può essere grande, che spiega il basso coefficiente Seebeck di metalli.