Seebeck effekt

Seebeck-effekten - er dannelsen av en potensialforskjell ved grensegrenseflaten mellom to forskjellige materialer ved oppvarming av teknikken.

fra historien

Historien er taus, ønsket han å få Seebeck i 1822, da varmet kontakt fra antimon og vismut. Kanskje effekten var et resultat av tilfeldige sammentreff, som ofte skjer, og hvordan det skjedde i Ørsted av kompasspilen. Den galvano Seebeck registreres når en hånd holdt termo krysset. Det regnes som en lykkelig tilfeldighet, han er forpliktet til å eie en vellykket kompass design. Anordningen besto av to deler: en metallramme, kanten av et glassdeksel. Hviler hånden på eiendom, sa Seebeck avvik av den magnetiske nål fra sin utgangsstilling. Sikkert forskjellen var ikke så merkbar, men forskeren tålmodig å gjenta opplevelsen av å se resultatet.

Figuren viser at skjermen lampen forårsaker betydelig avbøyning av den magnetiske meridian. Dette skyldes feltet straumen. Stift, holder pil ovenfor, bærer ladninger (positivt fortegn) i den nevnte retning. Danner et sirkulært magnetfelt som forandrer kompassvisningen. Det er ikke kjent med sikkerhet hvorvidt kompasset var laget av antimon og vismut eller Seebeck funnet materiale senere i privat, men fremdeles termoelementer er ofte laget av disse metallene. Kombinasjonen er valgt for dens høye virkningsgrad.

Bruken av termoelektriske generatorer

Eksperimentering, fant vi at effektiviteten av termo når nesten 3%. I begynnelsen av det nittende århundre er det ganske anstendig, i stand til å konkurrere med noen dampmaskin. I sovjetlitteraturen gir informasjon som den termoelektriske effektivitet ikke nådde 0,5%. For det første er det ikke alltid gjelder separate termoelementer, og for det andre, anses å være kommunistisk propaganda. I Sovjet-tiden, branded personlige datamaskiner (et konsept utviklet i Sovjetunionen), og nå noen offisiell skilte med en splitter ny laptop fra Korea eller USA. Forfatterne er mer sannsynlig å stole på utenlandske kilder, ledende figurer i regionen på 3%.

Georg Ohm, ved hjelp av et termo, åpnet den velkjente lov, Faraday brukte dem for elektrolyse forskning. Forskere raskt fått smaken på, og ved midten av det nittende århundre var allerede til stede termoelektriske generatorer stor nok ytelse - og for kledning av metalldeler. Med rapport Seebeck termo bli en integrert del av de eksperimentelle anlegg der det er nødvendig for å oppnå stabilitet. Og ved begynnelsen av XX århundre har vi laget en rekke strukturer.

Den russiske tidsskrift skrev om belysning termoelektrisk ovn, blir Gyulhera batteri som brukes til å lade batteriene. Interessen for dette området litt svekket etter oppfinnelsen av forbrenningsmotor og elektriske motorer, men i den moderne verden termo anses lovende strømkilder for utvikling av syn. Men utsiktene til å bruke solen stråler virket attraktivt, selv i begynnelsen av XX århundre. Den første eksperimentelle data som er publisert i 1922 var: "Apparatur 105 av termoelementer (kobber-Constantan), et område på 1 sq. cm hver, noe som demonstrerer effektiviteten til 0,008%, midt på dagen som gir energi på omkring 61 mW. "

Samtidig begynte Seebeck effekt som skal brukes til å drive bærbare radioer. Temaet for termoelektriske generatorer vist reklamka den tiden. I vanlig engelsk lesere er gitt å forstå at den nye strømforsyningen er god til å lytte til de siste nyhetene. Ikke rart at det i løpet av kort tid, og dukket opp i Sovjetunionen Journal bemerker elskere, ble det rapportert at varmen parafin lampe kan fornuftig brukes til kraftelektronikk kretser. Czeczik i tidsskriftet "de fattige" (1928) rapporterte en generator av sin egen design av jern-nikkel termo. Den samme type artikkel dukket inn i nummer 13, "Radifront" magazine i 1937.

Etterkrigs generatorer Seebeck-effekten ga en gunstig virkning på den mengden av en watt for 1 kg vekt. Men effektiviteten er fortsatt lav. I en russisk litteratur rett - sovjetiske artikler ikke gå foran resten. Allerede under den andre verdenskrig, leverte Seebeck effekten den rolige energien i radiooperatører, varmer seg på en brann i en urolig tid. Vurdert muligheten for å bruke igjen, mange fysikk lærebøker inneholder informasjon om generator Joffe, opprettet på begynnelsen av 50-tallet (se. Fig.). Etter den tid ble det antatt at det er mulig å oppnå en effektivitet på 5-7%, ble utstedt generator TGK-3 for radio. solcelle areal på 360 kvadrat ble opprettet. se som ga 0,175 watt ved en virkningsgrad på 0,59%. Man kan se at det har økt betydelig.

For eksempel, parafin lampe generator Ioffe eksempel 50- radio tillate tilførsel ved en temperatur i de indre knutepunkter 300-350 grader Celsius og eksterne - i størrelsesorden 60. Da har vi vist evne til å skape enheter med en effektivitet på 8%. Historien om utviklingen av termoelektriske generatorer til den siste tiden mulig å tenke i den aktuelle delen, og nå ser på de fysiske prosesser som skjer i lederne.

termiske sensorer

Ved begynnelsen av 80-tallet til 40% av alle industrielle målinger som er nødvendige på den temperatur og 2/3 av det antall sensorer som arbeider på Seebeck-effekten. Forskere raskt kom til den konklusjon at den lave effektiviteten er begrunnet med høy presisjon. I Sovjetunionen, ville det ha lært tidligere plager å oversette til russisk arbeidet til Georg Ohm tidlige 20-tallet av XIX århundre. Risting bredden av påføringsinnretninger - 0,5-3000 K.

Rampant industrialisering har forårsaket behovet for nye metoder for kontroll av teknologiske prosesser. For voksende horisonter ikke holde tritt med arbeiderklassen og de mennesker som trenger hvile og fritid. I ordene til en forfatter, har vitenskapelige funn blitt vanlig i USA, da det var mulig å etablere liv og for å roe de militante indianere. Uten vitenskap, har landet ikke utvikler og ser ikke profitt, fritid og fritid er ansett som en verdifull ressurs. Fordelene med sensorene på Seebeck effekten er:

1. Lav treghet. Hvis det kreves av det første produktet stabilitet, noe som gjør dem bevisst tungvint, treg respons til ytre miljø, moderne termo (se. Fig.) Er liten i størrelse, og er inkludert i enhetene sammensetning og forbruker (f.eks kjøleskap).
   

   moderne termo

2. Enkel installasjon. Mannen som er møtt med behovet for å erstatte barometer kjøleskap termostat vet hvor det er vanskelig og tidkrevende prosess. Termoelementet er forbundet med et snitt av tråden, raskt og enkelt.
3. Et omfattende utvalg av temperaturmåling har understreket. I dag selges selv testere forbruker termo som sensor. Rekkevidden er avhengig av design funksjoner, er det enkelt å velge rimelige og avanserte funksjoner.
4. Den teknologiske prosess er karakterisert ved repeterbare parametre fra sats til sats ensartethet, lett fremstilling, muligheten for miniatyrisering, egnet for automatisert sammenstilling.

Disse trekk gjør det mulig å fleksibelt, raskt og nøyaktig å spore temperaturendringer. Følsomheten av produktet bestemmes av Seebeck-koeffisienten, nådde 100 mV / K. De viktigste kjennetegn ved termo - stabilitet parameter avhengig av de mekaniske, termiske, magnetisk, og så videre. virkninger. Derfor er det ikke alltid anses å være den viktigste karakteristisk for stabilitet. Det er noen ganger på bekostning av effektivitet ved å velge en legering med maksimal motstand mot visse eksterne faktorer.

Hvordan gjør en termo

Seebeck effekten er lenge forble uten forklaring. Dag skille mellom to teorier som beskriver fremgangsmåter:

• kinetisk (mikroskopisk);
• termodynamisk (makroskopiske).

Dette tyder på at nøyaktige data om virkningsmekanismen til termoelementet i dagens vitenskap er ikke der.

enkel forklaring

Først, heller enn å stupe inn i komplekset teori, er det foreslått å vurdere den enkle forklaringen gitt av studentene ved ulike universiteter. Professor tolke en hendelse, basert på den thermionic utslipps fenomen og elektronegativiteten av metaller og legeringer. Den første er kjent for å bli fløtet på lyset når lyspæren filament utviklet. Forutsetninger ble Edison forskning. Elektroniske lampe arbeider fordi i vakuum forvarmet elektrode begynner å avgi ladningsbærere fra overflaten. Selvfølgelig ble snart etablert ledere i feltet, blir overflaten nå dekket ved elektrolyse av riktige materialer.

Essensen av virkningen av de thermionic utslipp: ladningsbærere oppviser null arbeidet for vedkommende krystallgitteret. Det antas at ved normal temperatur svever over metalloverflaten en tynn elektronskyen. Men på kroppen bildet av den positive ladningen på saken er det ikke. Som et resultat av oppvarming av utgangs elektron får energi og i stand til å forlate metallet. Mye intensitet av prosessen blir observert ved en temperatur på 1000 K. Arbeidet funksjonen er ikke den samme for metaller, forskere mener at dette er delvis på grunn av deres elektro.

Når de to prøvene bringes i kontakt begynner omfordeling prosessen. Dette skjer inntil en tett sky av elektron metall balanserer hverandre. Prosessen synes å være komplett. Men... bare Seebeck oppdaget at varmen gjør opp kostnader. Rekombinasjon forekommer, sammensmelting og nedbrytning, som et resultat av termoelement som er dannet ved endene av den potensialforskjell. Effekten forsterkes ved anvendelse av to eller flere knutepunkter. Hva å gjøre fysikk i første halvdel av XIX århundre. Da den første termoelement-overgang blir varmet opp og den andre ble avkjølt.

Når det blir oppvarmet, varptettheten til elektronskyer på de to metaller vokser sterkere. Følgelig øker potensialforskjell. varmeenergi energi fjerner kompenseres aktuell kilde. Seebeck-effekten er manifestert ved en hvilken som helst temperatur, øker sterkt med sin øke.

Den termodynamiske teorien om Seebeck effekt

Termodynamisk teori opererer med felles verdier: flyt, graderinger krefter. Ved å løse ligninger som oppnås Ohms lov av forholdet mellom strøm, spenning, motstand og Fourier - varmestrøm av kommunikasjon og temperaturgradient. Introdusert spesielle forhold med spesifikke navn:

• Isolert ledningsevne (inverse av resistiviteten);
• varmeledningsevne.

Den resulterende ligning er en konsekvens av nærværet av en gang tre effekter: Seebeck, Peltier og Lord Kelvin. De er satt for det meste eksperimentelle, uten en teori. Den Seebeck-effekten er allerede forholdsvis vurderes, Peltier oppdaget dannelse av omvendt knutepunkt temperaturforskjell ved den gjeldende. Thomson effekten intrikate. Han hevder at når der sammen (forskjell) lederen temperaturgradienten begynner å overføres (frigitt eller absorbert) varme. undersøkt og viste seg i loven i termodynamisk teori:

1. Mellomliggende metaller i en lukket krets fremstilt av ulike metaller ved den samme temperatur EMF null sum. Dette er ansett som et uttrykk for det andre termodynamiske loven. Arbeidet er ikke gjort uten forbruk av energi. Hva skjer på samme temperatur veikryss "Proof: varmeoverføring på grunn av dagens umulig på grunn av Peltier-effekten. Dette ville føre til en oppvarming av enkelte områder og annen nedkjøling. Det ville bety at overføringen av varme fra de kaldere steder i fravær av en ekstern strømkilde. Klimaanlegg kan ikke operere på strøm, men på grunn av en spesiell ledningstilkoplingene. "
2. Magnus i den lukkede sløyfen til det samme materialet er ikke støttet av aktuell temperaturforskjell. Konsekvensen av loven var EMF avhengig bare på forskjellen mellom koblings temperaturer. Ikke bekymre deg for oppvarming eller kjøling av eksterne forhold av lederne selv.
3. Suksessive (mellomprodukt) Temperatur: den algebraiske sum av den elektromotoriske kraft på konturen i området fra T1 til T3 er Den algebraiske sum av den emf brettet langs konturen i intervaller fra T1 til T2 og fra T2 til T3, med de verdier av T1, T2 og T3.

Alle tre av loven hevder at de resulterende elektromotoriske kraft blir en funksjon av bare krysset temperatur. Disse postulater er anerkjent som grunnlag av målinger, blant annet hva som skjer i norske kjøleskap. Annen behandling: termo er ikke nødvendigvis inneholder to metaller. Hvis du ønsker å måle temperaturen gradient langs thermoelectrode, er det nok for en forekomst av EMF. Et annet materiale som vil kontakte funnene. Dette er tilfellet for en degenerert og ganske effektiv termo, stammer fra de grunnleggende ligninger av den termodynamiske teori. Følgelig forutsagt effekten analytisk.

Den er laget i bildet nedenfor i lys av kompleksiteten i opptak matematiske formler Internett utskyting. Det fremgår at i fravær av elektrisk strøm den første ligningen for termodynamisk teori er forenklet. Det følger at ved å fjerne spenningen analog-til-digital-omformer med en mindre strømbegrensning tilførsel, kjøleskap Bosch koster "termoelement" av et enkelt metall.

Skille mellom absolutte og relative EMF. Den andre refererer til et par av materialer, og den første - karakteriserer bare en enkelt. Absolutt emf er målt ved hjelp av standard, hvor det andre metoder som allerede er angitt, målt verdi (olje olje). Fra eksperimentene er en differensial EMF, noe som gjør det mulig å beregne verdien. Standarder i dag anerkjent:

• For forholdsvis høye temperaturer (over 100 K): platina, gull, kobber, wolfram.
• Bly i andre tilfeller.

Ved meget lave temperaturer under 20 K absolutt EMF bestemmes direkte. I noen materialer blir null, og ved å kombinere prøven med et par umiddelbart komme til den ønskede verdi. De fleste metaller absolutte EMF i området fra 0 til 80 mV / K.

kinetisk teori

Den kinetiske teorien har å gjøre med den ikke-likevekt tilstand av miljøet. Han studerer dem i bevegelse. Den er basert på Bardeen-Cooper-Schrieffer, er ikke så godt kjent for publikum. I betraktning av sannsynlighets akseptert teori, blir hver partikkel betraktes enkeltvis, uten hensyn til den totale systemytelsen. For at teorien kalles mikroskopisk.

I betraktning av begrepene innføres: Cooper elektronpar Fermi overflate Debye frekvens og så videre. Teori driver sannsynlighetsligninger posisjoner av partiklene, Boltzmann funksjon. Ifølge representasjoner av vitenskap i begynnelsen av XX-tallet i hvert enkelt metall er det en viss konsentrasjon av elektroner spredt tilfeldig, men adlyde Boltzmann-modellen. Disse ulike teorier ble navngitt:

• Kreft.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

I henhold til Boltzmann-modellen, er den gjennomsnittlige translatoriske energi for bevegelse av partiklene er 2/3 kT, hvor k - er Boltzmanns konstant. Ifølge denne tolkningen termoelektromotorisk kraft er en funksjon av konsentrasjonen av partikler i de to metaller på termoelementet og temperatur (se. Fig.). Det er enkelt å verifisere at formelen som presenteres for metallet ikke svarer til virkelige observasjoner. Dette utføres ved ganske enkelt å telle emf-verdier på inndeling av temperaturområdet og en Seebeck-koeffisient. Han klart overvurdert.

Kontrovers formel begynnelsen av XX århundre ble eliminert Frenkel og Sommerfeld teori (1927). Siste elektroner er plassert i modellen av kvantestatistikk av Fermi-Dirac. Sommerfeld Seebeck-koeffisient oppnås en meget liten mengde. Dette kan lett forklares ved det faktum at formelen for det kinetisk teori operere med elektron-konsentrasjoner direkte, men de er vanskelige å måle og spore.

Halvledere bedre adlyde kinetisk teori. Elektroner fra et materiale med en høyere tetthet diffus og nå for grensesnitt. Prosessen fortsetter så lenge som tellerfelt "utvandrere" utbalanserer bevegelsen motstrøm. Når det gjelder å forklare prosessen med den kinetiske teorien er ikke forskjellig fra de argumenter, kastet de to overskrifter over, men det er nyanser:

1. Med økt konsentrasjon av bærere av et bestemt tegn-strøm fører dem til den kalde ende, men det er allerede akkumulerte ladning hindrer under prosessen. Bærere av motsatt fortegn, tvert imot, akselerert av feltet. Som et resultat, strømmer telleren på grensen mellom media vil være like, og potensialforskjellen er bestemt temperaturverdi.
2. Diffusjonskoeffisienten er nært knyttet til beløpet mobilitet. Dette forholdet er etablert av Einstein. Den ujevne konsentrasjon er opprettet, og dermed temperaturgradienten. Mindre mobile ladninger danner en slags kork på sin vei på grunn av den lave hastigheten på bevegelsen. Feltet av denne oppsamling av ladningsbærere av motsatt fortegn vinger partikler. Som et resultat, når prosessen likevekt.

Tilstedeværelsen av to bære symboler på grunn av de høye Seebeck koeffisientene i halvleder. I metaller har en økt konsentrasjon av elektroner når 10 sextillions per kubikkcentimeter. Følgelig kan temperatursvingninger i figurene ikke være stor, noe som forklarer den lave Seebeck-koeffisient av metaller.