Efeito Seebeck

Seebeck efeito - é a formação de uma diferença de potencial na interface limite de dois materiais diferentes por aquecimento da arte.

da história

A história é silenciosa, ele queria obter o Seebeck em 1822, quando o contato de antimônio e bismuto aquecido. Talvez o efeito foi o resultado de coincidências aleatórias, como muitas vezes acontece, e como aconteceu em Oersted da seta da bússola. O galvanómetro Seebeck registada quando uma mão se segurando a junção de termopar. É considerada uma feliz coincidência, ele é obrigado a possuir um projeto do compasso de sucesso. O aparelho consistia em duas metades: uma estrutura de metal, o aro de uma outra tampa de vidro. Descansando a mão na propriedade, de Seebeck referido desvio da agulha magnética a partir da sua posição inicial. Certamente, a diferença não foi muito perceptível, mas o cientista pacientemente repetir a experiência de assistir o resultado.

A figura mostra que a lâmpada de exposição provoca a deflexão significativa do meridiano magnético. Isto é devido à corrente de campo fluindo. Staple, aderir seta acima, carrega encargos (sinal positivo) na dita direção. Cria um campo magnético circular que altera as leituras da bússola. Não se sabe ao certo se a bússola foi feita a partir de antimônio e bismuto ou Seebeck materiais encontrados mais tarde, em privado, mas ainda termopares são muitas vezes feitas destes metais. A combinação é seleccionada pela sua elevada eficiência.

O uso de geradores termoelétricos

Experimentação, descobrimos que a eficiência do termopar chega a quase 3%. No início do século XIX, é bastante decente, capaz de competir com qualquer motor a vapor. Na literatura soviética fornece informações que a eficiência termoelétrica não alcançou 0,5%. Em primeiro lugar, não é sempre que respeita termopares separadas, e, por outro, é considerado propaganda comunista. Nos tempos soviéticos, marca computadores pessoais (um conceito desenvolvido na URSS), e agora qualquer funcionário apresenta um novo laptop marca da Coréia ou nos Estados Unidos. Os autores são mais propensos a confiar em fontes estrangeiras, levando figuras na região de 3%.

Georg Ohm, usando um termopar, abriu a lei bem conhecida, Faraday usou-os para a pesquisa eletrólise. Os cientistas rapidamente adquiriu um gosto por, e em meados do século XIX já estavam presentes geradores termoelétricos desempenho suficientemente grande - e para o revestimento de peças metálicas. Com o relatório Seebeck termopar-se parte integrante das instalações experimentais quando necessário para obter estabilidade. E, no início do século XX, criamos uma matriz de estruturas.

A revista russa escreveu sobre a iluminação do forno termelétrica, bateria Gyulhera é usado para carregar as baterias. Interesse nesta área ligeiramente enfraquecido após a invenção do motor de combustão interna e motores elétricos, mas nos modernos termopares mundo são consideradas fontes de energia promissores para o desenvolvimento de vista. No entanto, a perspectiva de usar os raios de sol parecia atraente, mesmo no início do século XX. Os primeiros dados experimentais publicados, em 1922, eram: "O aparelho 105 de termopares (Cobre-Constantan), uma área de 1 sq. cm cada um, demonstrando a eficiência de 0,008%, ao meio-dia dando energia de cerca de 61 mW. "

Ao mesmo tempo, o efeito Seebeck começou a ser utilizado para alimentar rádios portáteis. O tema de geradores termoelétricos mostrados reklamka esse tempo. Na planície Inglês leitores é dado a entender que a nova fonte de alimentação é bom para ouvir as últimas notícias. Não admira que, em um curto espaço de tempo e apareceu na URSS Journal observa amantes, foi relatado que a lâmpada de querosene de calor pode sensatamente ser usado para circuito eletrônico de potência. Czeczik na revista "Os pobres" (1928) relatou um gerador de sua própria concepção dos termopares de ferro-níquel. O mesmo tipo de artigo apareceu em número de 13, a revista "Radifront" em 1937.

geradores pós-guerra efeito Seebeck deu um efeito benéfico na quantidade de 1 Watt de potência para 1 kg de peso. Mas a eficiência ainda é baixo. Em um certo literatura russa - artigos soviéticos não ir à frente do resto. Já durante a Segunda Guerra Mundial, o efeito Seebeck fornecido a energia tranquila de operadores de rádio, aquecendo-se em um incêndio em um momento conturbado. Considerada a possibilidade de utilizar novamente, muitos livros didáticos de física contêm informações sobre o gerador Joffe, criado no início dos anos 50 (ver. Fig.). Até o momento, acredita-se que é possível conseguir eficiência de 5-7%, foram emitidos gerador TGK-3 por rádio. área célula solar de 360 ​​quadrado foi criado. ver que deu 0,175 watts com uma eficiência de 0,59%. Pode-se ver que ele tem aumentado significativamente.

Por exemplo, o gerador de lâmpada de querosene Ioffe 50s amostra rádio permitir alimentação a uma temperatura nas junções internas de 300-350 graus Celsius e externos - na gama de 60. Então nós temos capacidade comprovada para criar dispositivos com uma eficiência de 8%. História do desenvolvimento de geradores termoelétricos para a última hora possível contemplar na seção pertinente, e agora olhar para os processos físicos que ocorrem nos condutores.

sensores térmicos

No início da década de 80 a 40% de todas as medições necessárias industriais sobre a temperatura e 2/3 do que o número de sensores que trabalham sobre o efeito de Seebeck. Os cientistas rapidamente chegou à conclusão de que a baixa eficiência é justificado pela alta precisão. Na URSS, ele teria aprendido mais cedo se preocupar em traduzir para o russo o trabalho dos primeiros 20-s do século XIX de Georg Ohm. Apertar a amplitude de dispositivos de aplicação - 0,5-3000 K.

industrialização desenfreada tem causado a necessidade de novos métodos para o controle dos processos tecnológicos. Para o cultivo de horizontes não manter-se com a classe trabalhadora e as pessoas que necessitam de descanso e lazer. Nas palavras de um escritor, as descobertas científicas tornaram-se comuns nos Estados Unidos, quando era possível estabelecer a vida e para acalmar os índios militantes. Sem a ciência, o país não desenvolver e não vê o lucro, lazer e tempo livre é considerado como um recurso valioso. As vantagens dos sensores sobre o efeito de Seebeck são:

1. Baixa inércia. Se exigido pela primeira estabilidade do produto, tornando-os deliberadamente complicada, lenta resposta ao ambiente externo, termopar moderno (ver. Fig.) É pequeno em tamanho e está incluído na composição de consumo e dispositivos (por exemplo, frigoríficos).
   

   termopar moderna

2. Facilidade de instalação. O homem que se depara com a necessidade de substituir o termostato barométrica geladeira sabe como é difícil e demorado processo. O termopar é ligado um corte do fio, de forma rápida e facilmente.
3. Uma extensa gama de medição de temperatura se sublinhados. Hoje, mesmo os testadores vendidos termopar consumidor como um sensor. A faixa é dependente das características de design, é fácil para selecionar os recursos acessíveis e avançados.
4. O processo tecnológico é caracterizada por parâmetros reprodutíveis de lote para lote uniformidade, facilidade de fabrico, a possibilidade de miniaturização, adequado para montagem automatizada.

Estas características tornam possível a flexibilidade, precisão e rapidez acompanhar as mudanças de temperatura. A sensibilidade do produto é determinada pelo coeficiente de Seebeck, chegando a 100 mV / K. A principal característica de termopares - parâmetro de estabilidade, dependendo do mecânicos, térmicos, magnéticos, e assim por diante. impactos. Por isso, nem sempre é considerada a principal característica de estabilidade. É por vezes em detrimento da eficiência, seleccionando uma liga com o máximo de resistência a determinados factores externos.

Como é que um termopar

O efeito Seebeck é muito tempo permaneceu sem explicação. Hoje distinguir duas teorias que descrevem os processos:

• cinética (microscópica);
• termodinâmico (macroscópico).

Isto sugere que os dados precisos sobre o mecanismo de ação do termopar na ciência de hoje não está lá.

explicação simples

Primeiro, em vez de mergulhar na teoria complexa, propõe-se a considerar a simples explicação dada pelos estudantes de várias universidades. Professores interpretar um evento, com base no fenômeno emissão termiônica e eletronegatividade de metais e ligas. O primeiro é conhecido para ser lançada sobre a luz quando a lâmpada de filamento luz desenvolvido. Pré-condições tornou-se a pesquisa de Edison. obras electrónicas lâmpada porque em vácuo eléctrodo pré-aquecido começa a emitir portadores de carga a partir da superfície. líderes é claro, logo foram estabelecidas no campo, a superfície está agora coberto por electrólise dos materiais certos.

A essência do efeito das emissões termiónicos: portadores de carga apresentam função da rede cristalina trabalho zero. Acredita-se que a temperatura normal paira acima da superfície do metal de uma nuvem de electrões fina. Mas na imagem corporal da carga positiva sobre o caso não é. Como resultado, o aquecimento de elétrons saída recebe a energia e capaz de deixar o metal. Muito intensidade do processo é observado a uma temperatura de 1000 K. A função de trabalho não é o mesmo para os metais, os cientistas acreditam que este é, em parte devido à sua eletronegatividade.

Quando as duas amostras são colocadas em contacto, o processo começa redistribuição. Isto ocorre até que uma nuvem de electrões denso dos metais equilibra o outro. O processo parece ser completa. Mas... apenas Seebeck descobriu que o calor torna-se encargos. A recombinação ocorre, de fusão e de desintegração, como um resultado de termopar formados nas extremidades da diferença de potencial. O efeito é reforçado por meio de duas ou mais junções. O que fazer física na primeira metade do século XIX. Em seguida, a primeira junção do termopar é aquecida e arrefecida a outra.

Quando aquecida, a densidade de urdidura das nuvens de electrões dos dois metais se torna mais forte. Consequentemente, a diferença de potencial aumenta. Energia remove energia do calor é compensado fonte de corrente. efeito Seebeck manifesta-se a qualquer temperatura, aumenta fortemente com o seu aumento.

A teoria termodinâmica do efeito Seebeck

teoria termodinâmica opera com valores comuns: fluxo, forças gradientes. Ao resolver equações obtidos lei de Ohm sobre a relação entre a corrente, tensão, resistência e de Fourier - fluxo de calor do gradiente de temperatura e de comunicação. fatores especiais introduzidas com nomes específicos:

• condutividade isolados (inverso da resistividade);
• condutividade térmica.

A equação resultante é uma consequência da presença de uma vez de três efeitos: Seebeck, Peltier e Lord Kelvin. Eles são criados para a maior parte experimental, sem uma teoria. O efeito de Seebeck já é bastante considerado, Peltier descoberto a formação de diferença de temperatura de junção de forma inversa pelo actual. Thomson efeito intrincada. Ele afirma que quando há longo (diferença) o gradiente de temperatura do condutor começa a transferir (libertado ou absorvido) de calor. examinado e provado em lei na teoria termodinâmica:

1. metais intermédios em um circuito fechado feito de metais diferentes à mesma temperatura EMF soma zero. Esta é considerada uma expressão da segunda lei da termodinâmica. O trabalho não é feito sem o gasto de energia. O que acontece ao mesmo junções de temperatura "Proof: transferência de calor devido à actual impossível por causa do efeito Peltier. Isso faria com que um aquecimento de algumas áreas e outras arrefecimento. Isso significaria a transferência de calor dos lugares mais frios, na ausência de uma fonte de alimentação externa. Ar condicionado não poderia operar em eletricidade, mas devido a um conexões de fiação especiais. "
2. Magnus no circuito fechado com o mesmo material não é suportado por diferença de temperatura actual. Consequência da lei era o dependente apenas a diferença entre as temperaturas de junção EMF. Não se preocupe com o aquecimento ou arrefecimento das condições externas dos próprios condutores.
3. Sucessivo (intermediário) Temperatura: a soma algébrica do EMF no contorno na gama de T1 a T3 é A soma algébrica do EMF dobrado ao longo do contorno em intervalos de T1 a T2 e de T2 a T3, com todos os valores de T1, T2 e T3.

Todos os três da lei argumentam que a força electromotriz resultante torna-se uma função de apenas a temperatura da junção. Estes postulados são reconhecidos como a base de medidas, incluindo o que está acontecendo em refrigeradores domésticos. Outro tratamento: termopar não é necessariamente contém dois metais. Se você quiser medir o gradiente de temperatura ao longo do thermoelectrode, é o suficiente para uma ocorrência de EMF. Um segundo material entrará em contacto com as descobertas. Este é o caso de um degenerado e bastante eficiente termopar, decorrentes das equações fundamentais da teoria termodinâmica. Por conseguinte, o efeito previsto analiticamente.

É feito na imagem abaixo, tendo em vista a complexidade da gravação de fórmulas matemáticas Internet imposição. Vê-se que, na ausência de corrente elétrica a primeira equação da teoria termodinâmica é simplificado. Segue-se que a remoção do conversor analógico-para-digital de tensão, com um fornecimento de limite de corrente menor, refrigerador Bosch custa "termopar" de um só metal.

Distinguir entre EMF absoluta e relativa. A segunda refere-se a um par de materiais, e o primeiro - caracteriza apenas um único. fem absoluto é medido usando o padrão, para que outros métodos já medidos indicado valor (óleo de petróleo). A partir dos experimentos é um EMF diferencial, que permite calcular o valor. Padrões reconhecidos atualmente:

• Para temperaturas relativamente elevadas (acima de 100 K): platina, ouro, cobre, tungsténio.
• Chumbo em outros casos.

A muito baixas temperaturas abaixo de 20 K a EMF absoluta é determinada directamente. Em alguns materiais e torna-se zero, combinando a amostra de teste com um par de vir imediatamente para o valor desejado. A maioria dos metais EMF absoluta na faixa de 0 a 80 mV / K.

teoria cinética

A teoria cinética tem a ver com o estado de não-equilíbrio do meio ambiente. Ele estuda-los em movimento. Ele é baseado no Bardeen-Cooper-Schrieffer, não é tão bem conhecido para o público. Em consideração da teoria da probabilidade aceito, cada partícula é considerada individualmente, sem levar em conta o desempenho geral do sistema. Por essa teoria chamada microscópica.

Em consideração dos conceitos introduzidos: Cooper par de electrões da superfície de Fermi Debye frequência e assim por diante. Teoria opera equações posições de probabilidade das partículas, a função de Boltzmann. De acordo com representações de ciência no início do século XX em cada metal há uma certa concentração de elétrons espalhados de forma aleatória, mas obedecer o modelo de Boltzmann. Essas teorias diversas foram nomeados:

• Câncer.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

De acordo com o modelo de Boltzmann, a energia translacional média de movimento das partículas é 2/3 kT, onde k - é a constante de Boltzmann. De acordo com esta interpretação fem termoeléctrico é uma função da concentração de partículas nos dois metais do par termoeléctrico e temperatura (ver. Fig.). É fácil verificar que a fórmula apresentada para o metal não corresponde às observações reais. Isso é executado, contando simplesmente os valores de CEM em dividir o intervalo de temperatura e encontrar o coeficiente de Seebeck. Ele claramente superestimada.

Controvérsia fórmula início do século XX foi eliminado Frenkel e teoria de Sommerfeld (1927). Últimos elétrons são colocados no modelo da estatística quântica de Fermi-Dirac. coeficiente de Seebeck Sommerfeld obtém-se uma muito pequena quantidade. Isto é facilmente explicada pelo facto da fórmula da teoria cinética operar com concentrações de electrões directamente, mas eles são difíceis de medir e controlar.

Semiconductors melhor obedecer a teoria cinética. Os electrões de um material com uma densidade superior e difusas atingem para a interface. O processo continua enquanto o campo de contador "emigrados" contrabalança o fluxo em contra movimento. Em termos de explicar o processo da teoria cinética não é diferente dos argumentos, lançou os dois títulos acima, mas há nuances:

1. Com o aumento da concentração de portadores de uma corrente de sinal particular, transporta-los para a extremidade fria, mas carga já são acumulados impede que durante o processo. Os portadores do sinal oposto, pelo contrário, acelerados pelo campo. Como resultado, o contador de fluxo na fronteira entre os meios de comunicação irá ser igual, e a diferença de potencial é o valor da temperatura determinada.
2. O coeficiente de difusão está intimamente associada com a mobilidade de carga. Esta relação é estabelecida por Einstein. A concentração desigual é criado, assim o gradiente de temperatura. cargas móveis menos formar uma espécie de cortiça em seu caminho por causa da baixa velocidade do movimento. O campo desta acumulação de portadores de carga de partículas asas de sinal oposto. Como resultado, o processo alcança o equilíbrio.

A presença de dois símbolos de suporte, devido aos elevados coeficientes de Seebeck no semicondutor. Nos metais têm um aumento da concentração de electrões atinge 10 sextiliões por centímetro cúbico. Consequentemente, as flutuações de temperatura das figuras não pode ser grande, o que explica o baixo coeficiente de Seebeck de metais.