Efekt Seebeck

Zjawisko Seebecka - jest tworzenie różnicy potencjałów, na granicy styku dwóch różnych materiałów poprzez ogrzewanie tej dziedzinie.

z historii

Historia milczy, chciał uzyskać Seebeck w 1822 roku, kiedy ogrzanej kontakt z antymonu i bizmutu. Być może efekt był wynikiem przypadkowych zbiegów okoliczności, jak to często się dzieje i jak to się stało w Oersteda przez strzałkę kompasu. Galwanometru Seebeck nagrany gdy ręka trzymała skrzyżowania termopary. Jest uważany za szczęśliwy zbieg okoliczności, jest on zobowiązany do posiadania udaną konstrukcję kompasu. Urządzenie składało się z dwóch części: jednej metalowej ramie, obrzeże innej pokrywy szklanej. Oparł rękę na własność, Seebeck powiedział odchylenia igły magnetycznej od położenia początkowego. Z pewnością różnica nie była zbyt widoczna, ale naukowiec cierpliwie powtarzając doświadczenie oglądania wynik.

Figura pokazuje, że lampa wyświetlacz powoduje znaczne odchylenie południka magnetycznego. Spowodowane jest to prąd płynący pola. Zszywanie, stosować strzałka powyżej, wykonuje opłaty (znak dodatni) we wspomnianym kierunku. Tworzy okrągły pole magnetyczne, które powoduje zmianę wskazań kompasu. Nie wiadomo na pewno, czy kompas wykonany został z antymonu i bizmutu lub Seebeck znaleziono materiały później prywatnie, ale wciąż termopary są często wykonane z tych metali. Kombinacja jest wybrana z wysokiej wydajności.

Zastosowanie generatorów termoelektrycznych

Eksperymentowanie, okazało się, że sprawność termopary sięga prawie 3%. Na początku XIX wieku, to jest całkiem przyzwoity, w stanie konkurować z każdym silnikiem parowym. W literaturze radzieckiej informuje, że efektywność termoelektryczny nie osiągnął 0,5%. Po pierwsze, nie jest to zawsze chodzi o odrębne termopary, a po drugie, jest uważany za propaganda komunistyczna. W czasach sowieckich, markowe komputery osobiste (koncepcję opracowaną w ZSRR), a teraz każdy urzędnik może się poszczycić nowy laptop z Korei i Stanach Zjednoczonych. Autorzy są bardziej prawdopodobne, aby opierać się na źródłach obcych, co dane w regionie 3%.

Georg Ohm, za pomocą termopary, otworzył znany prawo, Faraday wykorzystywali je do badań elektrolizy. Naukowcy szybko nabyte smak, a do połowy XIX wieku były już obecne generatory termoelektryczne wystarczająco duża wydajność - i okładzin elementów metalowych. Z raportu Seebeck termopara stać się integralną częścią obiektów doświadczalnych, gdzie wymagane do uzyskania stabilności. I na początku XX wieku stworzyliśmy tablicę struktur.

Magazyn rosyjski pisał o oświetlenie piec termoelektrycznego, Gyulhera bateria służy do ładowania akumulatorów. Zainteresowanie tym obszarze lekko osłabiony po wynalezieniu silnika spalinowego i silnika elektrycznego, ale w nowoczesnych światowych termopar są uważane za obiecujące źródło energii dla rozwoju widzenia. Jednak perspektywa wykorzystania promieni słonecznych wydawało atrakcyjny, nawet na początku XX wieku. Pierwsze dane doświadczalne opublikowane w 1922 roku były: „Urządzenie 105 termopar (miedź-konstantan), o powierzchni 1 tys. cm każdy, wykazując efektywność 0,008%, w południe, dając wartość energetyczną około 61 mW. "

Jednocześnie efekt Seebeck zaczął być używany do zasilania przenośnych odbiorników radiowych. Temat termoelektrycznych generatorów pokazanych reklamka tym czasie. W prostym języku angielskim czytelnikom dać do zrozumienia, że ​​nowy zasilacz jest dobry, aby posłuchać najnowszych wiadomości. Nic więc dziwnego, że w krótkim czasie pojawiły się w ZSRR Journal zauważa kochanków, stwierdzono, że lampa naftowa ciepła może być sensownie wykorzystane do układów energoelektronicznych. Czeczik w czasopiśmie „ubogich” (1928) donieśli generator własnej konstrukcji termopary żelazo-niklu. Ten sam rodzaj artykuł ukazał się w numerze 13, w czasopiśmie „Radifront” w 1937 roku.

Generatory powojenne zjawiska Seebecka dał pozytywny efekt w ilości mocy 1 wat na 1 kg masy ciała. Ale wydajność jest nadal niska. W jednym z rosyjskim prawem literatury - artykuły radzieckie nie iść do przodu z resztą. Już w czasie II wojny światowej, efekt Seebeck dostarczyła spokojną energię operatorów radiowych, ogrzewając się przy pożarze w trudnej chwili. Rozważał możliwość wykorzystania ponownie, wiele podręczników fizyki zawierają informacje o generatorze Joffe, stworzony na początku lat 50. (zob. Rys.). W tym czasie uważano, że jest to możliwe do osiągnięcia skuteczności 5-7% wydano generator TGK-3 Radio. Obszar ogniwo słoneczne z 360 placu został stworzony. zobaczyć, że dała 0,175 watów z wydajnością 0,59%. Widać, że znacząco wzrosła.

Na przykład, generator światła nafta Ioffe próbki 50. radiowej umożliwiają paszy w temperaturze wewnętrznych skrzyżowań 300-350 stopni Celsjusza i zewnętrznych - w zakresie od 60 °. Potem okazały zdolność do tworzenia urządzeń o wydajności 8%. Historia rozwoju generatorów termoelektrycznych do ostatniej możliwej chwili kontemplujemy w odpowiedniej części, a teraz spojrzeć na procesy fizyczne zachodzące w przewodach.

czujniki termiczne

Na początku lat 80 do 40% wszystkich pomiarów przemysłowe konieczne temperatury i 2/3 tej liczby czujników działających na efekt Seebecka. Naukowcy szybko doszedł do wniosku, że niska efektywność jest uzasadnione wysoką precyzją. W ZSRR, to nauczyłem się szybciej przeszkadza przetłumaczyć na język rosyjski pracę wczesnych 20-tych Georga Ohma-tych XIX wieku. Potrząsanie szerokość urządzenia do nanoszenia - od 0,5 do 3000 K.

Szerzący się industrializacja spowodowała potrzebę nowych metod sterowania procesami technologicznymi. Do uprawy horyzontów nie nadążyć z klasy robotniczej i ludzi potrzebujących wypoczynku i rekreacji. W słowach pisarza, odkrycia naukowe stały się powszechne w Stanach Zjednoczonych, kiedy to było możliwe ustalenie życie i uspokoić bojowych Indian. Bez nauki, kraj się nie rozwija i nie widzi zysk, wypoczynek i czas wolny jest uważany za cenny surowiec. Zalety czujników na efekt Seebecka są:

1. Niska inercja. Jeżeli wymaga tego pierwszego stabilność produktu, co czyni je celowo uciążliwe, powolna reakcja na działanie środowiska zewnętrznego, nowoczesny termoelement (zob. Fig.) Jest małych rozmiarów i jest zawarty w kompozycji i konsumentów urządzeń (na przykład lodówka).
   

   nowoczesny termoelement

2. Łatwość instalacji. Człowiek, który stoi w obliczu konieczności wymiany termostatu barometryczne lodówkę wie, jak to jest trudne i czasochłonny proces. Termopara jest podłączona do cięcia drutu, szybko i łatwo.
3. Szeroki zakres pomiaru temperatury podkreślone. Dzisiaj, nawet testerzy sprzedawane termopary konsumentów jako czujnik. Zasięg zależy od cech konstrukcyjnych, łatwo jest wybrać niedrogie i zaawansowane funkcje.
4. Proces technologiczny charakteryzuje powtarzalnych parametrów od partii do jednorodności partii, łatwość wytwarzania możliwości miniaturyzacji, nadające się do zautomatyzowanego montażu.

Cechy te pozwalają elastycznie, szybko i dokładnie śledzić zmiany temperatury. Wrażliwość produktu jest określona przez współczynnik Seebecka, osiągając 100 mV / K. Główną cechą termopar - parametr stabilności w zależności od mechanicznych, termicznych, magnetyczne, i tak dalej. uderzeniami. Dlatego nie zawsze jest uważana za główną cechą stabilności. Czasami jest kosztem wydajności wybierając stopu z maksymalną odpornością na pewne czynniki zewnętrzne.

Jak termopary

Efekt Seebeck jest długo pozostawał bez wyjaśnienia. Dziś rozróżnić dwie teorie opisujące procesy:

• kinetycznej (mikroskopowy);
• termodynamiczny (makroskopowych).

To sugeruje, że dokładne dane dotyczące mechanizmu działania termopary w dzisiejszej nauce nie ma.

proste wyjaśnienie

Po pierwsze, zamiast zanurzyć się w kompleksowej teorii, proponuje rozważyć proste wyjaśnienie podane przez studentów różnych uczelni. Profesorowie interpretować zdarzenie w oparciu o termoelektronowej zjawiska emisji i elektroujemności metali i stopów. Pierwszy znany flotacji światło, gdy żarnik żarówki rozwinięte. Warunki stały się badania Edisona. Elektroniczne lampy, ponieważ działa się w próżni podgrzanego elektrody zaczyna wydzielać nośników ładunku z powierzchni. Oczywiście, wkrótce zostały ustanowione liderami w tej dziedzinie, powierzchnia jest teraz objęta elektrolizy odpowiednich materiałów.

Istotą efekt termokatodą emisji: nośniki ładunku wykazują zerowe funkcji pracy w sieci krystalicznej. Uważa się, że w normalnej temperaturze unosi się powyżej powierzchni metalowej cienkiej chmura elektronów. Ale na obrazie ciała ładunku dodatniego na razie nie ma. W efekcie ogrzewania wyjściowej elektron dostaje energii i stanie opuścić metal. Znacznie intensywność procesu obserwuje się przy temperaturze 1000 K. Funkcja praca nie jest taka sama dla metali, naukowcy uważają, że jest to po części ze względu na ich elektroujemności.

Gdy dwie próbki doprowadza się do kontaktu, rozpoczyna się proces redystrybucji. Dzieje się tak do momentu gęsta chmura elektronów metalu równoważy drugiej. Proces ten wydaje się być kompletny. Ale... po prostu Seebeck odkrył, że ciepło nadrabia opłaty. Rekombinacja występuje, syntezy i rozpadu, w wyniku termopary utworzonych na końcach różnicy potencjałów. Efekt ten jest wzmocniony przez zastosowanie dwóch lub więcej węzłów. Co zrobić fizyki w pierwszej połowie XIX wieku. Następnie pierwsza spoina termoelementu ogrzewa, a druga chłodzi.

Po podgrzaniu, gęstość osnowy chmury elektronowej dwóch metali wzmacnia się. W związku z tym różnica potencjałów wzrasta. Energy usuwa energia cieplna jest kompensowane źródło prądu. zjawiska Seebecka przejawia się w każdej temperaturze, zdecydowanie zwiększa się wraz z jego wzrostem.

Termodynamiczna teoria efektu Seebecka

Teoria termodynamiczny pracuje z typowych wartościach: przepływ gradienty sił. Rozwiązując równania uzyskane prawa Ohma na temat relacji pomiędzy prądu, oporu i Fouriera - przepływu ciepła w komunikacji i gradient temperatury. Wprowadzone specjalne czynniki ze specyficznymi nazwami:

• Izolowany przewodnictwa (Odwrotność oporu);
• przewodności cieplnej.

Otrzymany równanie wynika z obecności po trzech efektów: Seebecka, Peltiera i Lord Kelvina. Mieszczą się one w przeważającej części doświadczalnej, bez teorii. Zjawiska Seebecka już dość rozważyć Peltiera odkryto powstawanie różnicy temperatury odwrotnej węzeł prądem. Thomson efekt zawiły. Dowodzi on, że gdy po (różnica) gradient temperatury przewodu zaczyna przekazana (zwolnione lub absorbowana) ciepła. zbadane i udowodnione w prawo w teorii termodynamicznej:

1. Metale pośrednich w obiegu zamkniętym wykonana z różnych metali, w tej samej temperaturze EMF zerowym. Uważa się to za wyraz drugiego prawa termodynamiki. Praca nie jest wykonywana bez wydatkowania energii. Co się dzieje w tym samym skrzyżowaniach Temperatura „Dowód: wymiany ciepła ze względu na obecny niemożliwe z powodu efektu Peltiera. To powoduje nagrzewanie pewnych obszarach i innych chłodzenia. Oznaczałoby to transfer ciepła z chłodniejszych miejscach, w przypadku braku zewnętrznego źródła zasilania. Klimatyzacja nie mógłby działać na energii elektrycznej, ale dzięki specjalnemu połączeń elektrycznych ".
2. Magnus w zamkniętej pętli z tego samego materiału, nie jest obsługiwany w tej różnicy temperatur. Konsekwencją prawa EMF był zależny tylko od różnicy temperatur złącza. Nie martw się o ogrzewania lub chłodzenia warunków zewnętrznych samych przewodów.
3. Kolejny (związek pośredni) Temperatura: algebraiczna suma pól elektromagnetycznych o obrysie w zakresie T1-T3 Algebraiczna suma pól elektromagnetycznych zagięty wzdłuż konturu w odstępach od T1, T2 oraz T2, T3, a wszelkie wartości T1, T2 i T3.

Wszystkie trzy ustawy twierdzą, że uzyskana siła elektromotoryczna staje się funkcją tylko temperatury złącza. Te postulaty są rozpoznawane jako podstawie pomiarów, w tym, co dzieje się w domowych lodówkach. Inne leczenie: termopara nie jest koniecznie zawiera dwa metale. Jeśli chcesz zmierzyć gradient temperatury wzdłuż thermoelectrode, że wystarczy dla jednego wystąpienia EMF. Drugi materiał będzie kontaktować się z ustaleń. Jest to przypadek zdegenerowany i dość skuteczny termopary, wynikające z podstawowych równań teorii termodynamicznej. W związku z tym efekt przewidzieć analitycznie.

Jest on stworzony na obraz poniżej w świetle złożoności zapisu formuł matematycznych Internet wymierzenia. Jest widoczne, że przy braku prądu elektrycznego pierwsze równanie teoretycznej termodynamicznego jest uproszczona. Wynika z tego, że usunięcie napięcia przetwornik analogowo-cyfrowy o mniejszej podaży prądu granicznego, lodówka Bosch kosztuje „termopary” pojedynczego metalu.

Odróżnić absolutnej i względnej EMF. Drugi odnosi się do pary materiałów, a pierwsze - charakteryzuje tylko jeden. Absolutny SEM mierzy się stosując standardowe, do których inne metody już wskazano zmierzone wartości (olej z oliwek). Z eksperymentów jest EMF różnica, która pozwala obliczyć wartość. Standardy obecnie rozpoznawane:

• W przypadku stosunkowo wysokich temperaturach (powyżej 100 K): platyny, złota, miedzi i wolframu.
• Ołów w innych przypadkach.

Przy bardzo niskich temperaturach, poniżej 20 K absolutnym EMF określa się bezpośrednio. W niektórych materiałów staje się zerem, a łączenie próbki testowej z parą się natychmiast do żądanej wartości. Większość metali EMF absolutnym w zakresie od 0 do 80 mV / K

teoria kinetyczna

Teoria kinetyczna ma do czynienia z nierównowagi stanu środowiska. Studiuje je w ruch. Opiera się ona na Bardeen-Cooper-Schrieffer, nie jest tak dobrze znane opinii publicznej. Z uwzględnieniem prawdopodobieństwa akceptowane teorii, każda cząstka jest rozpatrywany indywidualnie, bez względu na ogólną wydajność systemu. Dla tej teorii zwanej mikroskopowe.

W związku z pojęciami wprowadzono: Cooper parę elektronów powierzchnia częstotliwości Debye'a Fermi i tak dalej. Teoria działa probabilistycznych równania położenia cząstek funkcji Boltzmanna. Według wyobrażeń nauki na początku XX wieku w każdym metalu istnieje pewna koncentracja elektronów rozproszonych w sposób losowy, ale posłuszeństwa model Boltzmanna. Te różne teorie zostały nazwane:

• Rak.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye'a.

Zgodnie z modelem Boltzmanna, średnia energia translacyjnej ruchu cząstek wynosi 2/3 kT, gdzie k - stała Boltzmanna jest. Zgodnie z tą interpretacją termoelektrycznej siły elektromotorycznej jest funkcją stężenia cząstek w dwóch metali termopary i temperatury (patrz. Rys.). Łatwo jest sprawdzić, czy wzór przedstawiony na metal nie odpowiada rzeczywistych obserwacjach. Odbywa się to po prostu przez zliczenie wartości siły elektromotorycznej podzielenie zakresu temperatur i znaleźć współczynnik Seebecka. On wyraźnie zawyżone.

Kontrowersje formuła początku XX wieku został wyeliminowany Frenkel i teorii Sommerfeld (1927). Ostatnio elektrony są umieszczane w modelu statystyk kwantowych Fermiego-Diraca. Współczynnik sommerfeld Seebeck uzyskuje się bardzo małą ilość. Można to łatwo wytłumaczyć faktem, że formuła teorią kinetyczną działać w stężeniach elektrony bezpośrednio, ale jest trudna do zmierzenia i śledzenie.

Półprzewodniki lepiej słuchać teorii kinetycznej. Elektronów z materiału o większej gęstości i rozproszonego dotrzeć do interfejsu. Proces ten trwa tak długo, jak pole licznik „emigranci” równoważy przepływ przeciwnie do ruchu. Pod względem wyjaśniając proces teorii kinetycznej nie różni się od argumentów, oddanych dwóch powyższych pozycjach, ale są niuanse:

1. Wraz ze wzrostem stężenia nośników danego strumienia znak przenosi je na zimnym końcu, ale nie są już zsumowany ładunek nie pozwala w trakcie procesu. Nośniki z przeciwnym znakiem, wręcz przeciwnie, przyspieszane przez pole. W wyniku tego licznik przepływu na granicy pomiędzy nośnikiem będzie równa, a różnica potencjałów jest ustalona wartość temperatury.
2. Współczynnik dyfuzji jest ściśle związana z mobilnością ładowania. Relacja ta jest ustanowiona przez Einsteina. Nierównomierny stężenie jest tworzony zatem gradient temperatury. Pomniejszonej o koszty mobilne tworzą rodzaj korka na swojej drodze ze względu na niską prędkością przemieszczania się. Pole tej akumulacji nośników ładunku przeciwległych cząstek znak skrzydła. W wyniku tego, proces osiągnie stan równowagi.

Obecność dwóch symboli nośnika ze względu na wysokie współczynniki Seebecka w półprzewodniku. Metalami ma zwiększone stężenie elektronów osiąga 10 sextillions na centymetr sześcienny. W związku z tym wahania temperatur na rysunkach nie mogą być duże, co wyjaśnia niski współczynnik Seebecka metali.