Efect Seebeck

efect Seebeck - este formarea unei diferențe de potențial la interfața de delimitare a două materiale diferite prin încălzirea art.

din istorie

Istoria este tăcut, el a vrut pentru a obține SEEBECK în 1822, când sa încălzit contact din antimoniu și bismut. Poate că efectul a fost rezultatul coincidențe întâmplătoare, așa cum se întâmplă de multe ori, și cum sa întâmplat în Oersted de săgeată busolă. Galvanometrului Seebeck înregistrat atunci când o mână ținea joncțiunea termocuplu. Este considerat o coincidență fericită, el este obligat să dețină un design de busolă de succes. Aparatul a constat din două jumătăți: un cadru metalic, bordura unui alt capac de sticlă. Odihnindu mâna pe proprietate, a declarat Seebeck abaterea acului magnetic din poziția sa inițială. Cu siguranță că diferența nu a fost prea vizibil, dar omul de știință repetând cu răbdare experiența de vizionare rezultatului.

Figura arată că lampa de afișare determină devierea semnificativă a meridianului magnetic. Acest lucru se datorează curentului de câmp care curge. Capse, respectați săgeata de mai sus, poartă taxele (semn pozitiv) în direcția a spus. Creează un câmp magnetic circular, care se schimbă citirile busola. Nu se știe sigur dacă busola a fost făcută din antimoniu și bismut sau Seebeck găsit materiale mai târziu, în particular, dar încă termocuple sunt adesea realizate din aceste metale. Combinația este selectată pentru o eficiență ridicată.

Utilizarea de generatoare termoelectrice

Experimentarea, am constatat că eficiența termocuplului ajunge la aproape 3%. La începutul secolului al XIX-lea este destul de decente, capabil de a concura cu orice motor cu aburi. În literatura sovietică oferă informații că eficiența termoelectric nu au ajuns la 0,5%. În primul rând, nu este întotdeauna ceea ce privește termocuple separate și, în al doilea rând, este considerat a fi propagandă comunistă. În timpurile sovietice, marca computere personale (un concept dezvoltat în URSS), iar acum orice funcționar are un nou laptop de brand din Coreea sau Statele Unite ale Americii. Autorii sunt mult mai probabil să se bazeze pe surse externe, ceea ce duce cifrele în regiunea de 3%.

Georg Ohm, cu ajutorul unui termocuplu, a deschis legea bine-cunoscut, Faraday le-a folosit pentru cercetare electroliză. Oamenii de știință a dobândit rapid un gust pentru, și de la mijlocul secolului al XIX-lea au fost deja prezente generatoare termoelectrice de mare performanta suficient - si pentru placare a pieselor metalice. Cu ajutorul raportului Seebeck termocuplu devenit o parte integrantă a mijloacelor experimentale acolo unde este necesar pentru a obține stabilitatea. Și de la începutul secolului al XX-am creat o serie de structuri.

Revista rus a scris despre aprinderea cuptorului termoelectric, Gyulhera baterie este folosit pentru a încărca bateriile. Interesul în acest domeniu a scăzut ușor după inventarea motorului cu ardere internă și motoare electrice, dar în moderne termocuplele lume sunt considerate surse promițătoare de energie pentru dezvoltarea de vedere. Cu toate acestea, perspectiva de a folosi razele soarelui păreau atractive, chiar și la începutul secolului XX,. Primele date experimentale publicate în 1922 au fost: „Aparatul 105 de termocupluri (cupru-Constantan), o suprafata de 1 mp. cm fiecare, demonstrând eficiența 0,008%, la prânz, oferind energie de aproximativ 61 mW. "

În același timp, efectul Seebeck a început să fie folosit pentru a alimenta radiouri portabile. Tema generatoare termoelectrice prezentate reklamka acea vreme. În limba engleză cititorii sunt date pentru a înțelege că noua sursa de alimentare este bun pentru a asculta cele mai recente știri. Nu e de mirare că într-un timp scurt și a apărut în Jurnalul URSS constată amanți, sa raportat că lampa de kerosen de căldură poate fi utilizat în mod rațional pentru circuitele electronice de putere. Czeczik în revista „Săracii“ (1928) a raportat un generator de design propriu al termocuplele de fier-nichel. Același tip de articol apărut în la numărul 13, revista „Radifront“ în 1937.

generatoare postbelici efect Seebeck a dat un efect benefic în valoare de 1 Watt putere pentru 1 kg greutate. Dar eficiența este încă scăzută. Într-un drept literatura rusă - articole sovietice nu a mers mai departe de restul. Deja în timpul al doilea război mondial, efectul Seebeck furnizat energia liniștită a operatorilor de radio, se încălzeau la un incendiu într-un timp tulbure. Considerat posibilitatea de a folosi din nou, multe manuale de fizică conțin informații despre generatorul Joffe, creat la începutul anilor '50 (a se vedea. Fig.). Până în momentul în care se credea că este posibil să se obține o eficiență de 5-7%, au fost emise Generator TGK-3 pentru radio. a fost creată zona de celule solare de 360 ​​pătrat. a se vedea că a dat 0,175 wați la un randament de 0,59%. Se poate vedea că a crescut în mod semnificativ.

De exemplu, generator de lampă cu kerosen Ioffe 50s eșantion de radio permit hranei la o temperatură în joncțiuni interne ale 300-350 grade Celsius și externe - în intervalul de 60 de ani. Apoi ne-am dovedit capacitatea de a crea dispozitive cu un randament de 8%. Istoria dezvoltării de generatoare termoelectrice la cele mai recente timp posibil pentru a contempla în secțiunea relevantă, iar acum uita-te la procesele fizice care au loc în conductoare.

senzori termice

Până la începutul anilor 80 până la 40% din toate măsurătorile industriale necesare asupra temperaturii și 2/3 din acel număr de senzori care lucrează asupra efectului Seebeck. Oamenii de știință a ajuns repede la concluzia că eficiența scăzută este justificată de înaltă precizie. În URSS, ar fi învățat mai devreme deranjează să traducă în limba rusă lucrarea lui Georg Ohm începutul anilor 20-e din secolul al XIX-lea. Scuturarea lățimea de dispozitive de aplicare - .5-3,000 K.

industrializarea galopantă a cauzat necesitatea unor noi metode pentru controlul proceselor tehnologice. Pentru orizonturi în creștere nu ține pasul cu clasa muncitoare și oamenii care au nevoie de odihnă și de petrecere a timpului liber. În cuvintele unui scriitor, descoperirile științifice au devenit un lucru obișnuit în Statele Unite, atunci când a fost posibil să se stabilească de viață și pentru a calma indienii militante. Fără știință, țara nu se dezvoltă și nu vede profit, petrecere a timpului liber și timpul liber este considerat ca fiind o resursă valoroasă. Avantajele senzorilor de pe efectul Seebeck sunt:

1. inerție redusă. Dacă este necesar de prima stabilitate a produsului, ceea ce le face în mod deliberat greoaie, răspuns lent la mediul extern, termocuplu moderne (a se vedea. Fig.) Este de dimensiuni reduse și este inclusă în compoziția și de consum a dispozitivelor (de exemplu, frigidere).
   

   termocuplu moderne

2. Ușor de instalat. Omul care se confruntă cu necesitatea de a înlocui termostatul barometrice frigider stie cum este dificil și procesul de consumatoare de timp. Termocuplul este conectat ca o bucată de sârmă, rapid și ușor.
3. O gamă largă de măsurare a temperaturii a subliniat. Astăzi, chiar și testerii vândute termocuplu de consum ca un senzor. Gama depinde de caracteristicile de design, este ușor de a selecta caracteristici accesibile și avansate.
4. Procesul tehnologic se caracterizează prin parametri repetabile de la lot la lot uniformitate, ușurința fabricației, posibilitatea miniaturizare, potrivite pentru asamblarea automată.

Aceste caracteristici fac posibilă în mod flexibil, precis și rapid urmări schimbările de temperatură. Sensibilitatea produsului este determinată de coeficientul Seebeck, ajungând la 100 mV / K. Caracteristica principală a termocuplurilor - parametru de stabilitate în funcție de mecanice, termice, magnetice, și așa mai departe. impacturi. Prin urmare, nu este întotdeauna considerată a fi principala caracteristică a stabilității. Este uneori în detrimentul eficienței prin selectarea unui aliaj cu rezistență maximă la anumiți factori externi.

Cum termocuplu

Efectul Seebeck este lung, a rămas fără explicații. Astăzi distinge două teorii care descriu procesele:

• cinetică (microscopic);
• termodinamică (macroscopic).

Acest lucru sugerează că datele exacte cu privire la mecanismul de acțiune al termocuplului în știința de astăzi nu este acolo.

explicație clară

În primul rând, mai degrabă decât plonjați în teoria complexă, se propune să ia în considerare explicația simplă dată de studenții diferitelor universități. Profesorii interpretează un eveniment, bazat pe fenomenul de emisie termionic și electronegativitatea de metale și aliaje. Primul este cunoscut a fi plutit pe lumina atunci când filamentul bec dezvoltat. Precondiții a devenit cercetare Edison. lucrări electronice lampă, deoarece în vid preîncălzit electrod începe să emită purtătorilor de sarcină de la suprafață. Liderii Desigur, au fost stabilite în curând în domeniu, suprafața este acum acoperită prin electroliza materialelor potrivite.

Esența efectului emisiilor termoionici: purtători de sarcină prezintă funcția de zero de lucru a rețelei cristaline. Se crede că la temperatura normală plutește deasupra metalului de suprafață un nor de electroni subțire. Dar pe imaginea corpului sarcinii pozitive asupra cauzei nu este. Ca rezultat, încălzirea de electroni de ieșire devine energie și capabil să părăsească metalul. Intensitatea mare parte a procesului se observă la o temperatură de 1000 K. Funcția de lucru nu este același lucru pentru metale, oamenii de știință cred că acest lucru se datorează, în parte electronegativitate lor.

Atunci când cele două eșantioane sunt aduse în contact, procesul de redistribuire începe. Acest lucru are loc până când un nor dens de electroni din metal echilibrează cealaltă. Procesul pare a fi completă. Dar... doar Seebeck descoperit că căldura face ca taxele de. Recombinarea apar, fuziune și dezintegrare, ca rezultat al termocuplului formate la capetele diferenței de potențial. Efectul este îmbunătățită prin utilizarea a două sau mai multe intersecții. Ce se poate face fizica în prima jumătate a secolului al XIX-lea. Apoi, prima joncțiune termocuplu este încălzit, iar celălalt se răcește.

Atunci când este încălzit, densitatea urzeală a norilor de electroni ale celor două metale creste mai puternic. În consecință, diferența de potențial crește. Energia elimină energia termică este compensată sursa de curent. efect Seebeck se manifestă la orice temperatură, crește puternic cu creșterea acestuia.

Teoria termodinamic a efectului Seebeck

Teoria termodinamic operează cu valori comune: de curgere, degradeuri forțe. Prin rezolvarea ecuațiilor obținute legea lui Ohm pe relația dintre curent, tensiune, rezistență și Fourier - fluxul de căldură de comunicare și de gradient de temperatură. factori speciali Introdus cu nume specifice:

• Conductivitatea izolata (invers rezistivității);
• conductivitate termică.

Ecuația rezultată este o consecință a prezenței o dată trei efecte: Seebeck, Peltier și Lord Kelvin. Acestea sunt stabilite pentru cea mai mare parte experimentală, fără o teorie. Efectul Seebeck este deja considerat destul, Peltier a descoperit formarea diferenței de temperatură joncțiune inversă de curent. efect Thomson complicate. El susține că, atunci când există de-a lungul (diferența) gradientul de temperatură a conductorului începe transferat de căldură (absorbție sau). examinate și au dovedit în drept în teoria termodinamică:

1. Metale intermediare într-un circuit închis, format din metale diferite la aceeași temperatură suma EMF la zero. Aceasta este considerată o expresie a doua lege a termodinamicii. Lucrarea nu se face fără cheltuielile de energie. Ce se întâmplă la intersecții aceeași temperatură „Dovada: transferul de căldură din cauza curent imposibil din cauza efectului Peltier. Acest lucru ar duce la o încălzire a unor zone și alte răcire. Asta ar însemna transferul de căldură de la locurile mai reci în absența unei surse de alimentare externă. Aer condiționat nu ar putea funcționa pe energie electrică, dar din cauza unei conexiuni speciale de cablare. "
2. Magnus în buclă închisă a aceluiași material nu este susținută de diferența de temperatură actuală. Consecință a legii a fost dependentă numai de diferența dintre temperaturile de joncțiune EMF. Nu vă faceți griji cu privire la încălzirea sau răcirea condițiilor externe ale conductoarelor înșiși.
3. Succesivæ (intermediar) Temperatura: suma algebrică a electromotoare pe contur în intervalul de la T1 la T3 este Suma algebrică a electromotoare pliat de-a lungul conturului, la intervale de la T1 la T2 și de la T2 la T3, cu orice valori ale T1, T2 și T3.

Toate cele trei legii susțin că forța electromotoare rezultată devine o funcție numai de temperatura de joncțiune. Aceste postulate sunt recunoscute ca bază de măsurători, inclusiv ceea ce se întâmplă în frigidere casnice. Alt tratament: termocuplu nu este în mod necesar conține două metale. Dacă doriți să măsurați gradientului de temperatură de-a lungul thermoelectrode, este suficient pentru o apariție a lui CEM. Un al doilea material va contacta concluziile. Acesta este cazul unui degenerat și destul de eficient termocuplu, care rezultă din ecuațiile fundamentale ale teoriei termodinamică. Prin urmare, efectul prezis analitic.

Este făcută în imaginea de mai jos, având în vedere complexitatea înregistrării formule matematice impunere pe Internet. Se observă că, în absența curentului electric prima ecuație a teoriei termodinamic este simplificată. Rezultă că îndepărtarea de tensiune analog-digital convertor cu o sursă de curent limită mai mică, frigider Bosch costă „termocuplu“ al unui singur metal.

Distinge între EMF absolută și relativă. A doua se referă la o pereche de materiale, iar primul - caracterizează doar o singură. emf absolută este măsurată utilizând standardul, pentru care alte metode deja măsurate indică valoarea (ulei). Din experimentele este un EMF diferențial, care permite calcularea valorii. Standarde recunoscute în prezent:

• Pentru temperaturi relativ ridicate (peste 100 K): platină, aur, cupru, tungsten.
• Plumb în alte cazuri.

La temperaturi foarte scăzute sub 20 K EMF absolută este determinată direct. In unele materiale devine zero și, combinând proba test cu o pereche de imediat vin la valoarea dorită. Majoritatea metalelor EMF absolută în intervalul la 0 la 80 mV / K.

teoria cinetică

Teoria cinetică are de a face cu starea de non-echilibru al mediului. El le studiază în mișcare. Ea se bazează pe Bardeen-Cooper-Schrieffer, nu este atât de bine cunoscut publicului. Având în vedere teoria probabilitatilor acceptată, fiecare particulă este considerat în mod individual, fără a ține cont performanța generală a sistemului. Pentru că teoria numită microscopice.

Având în vedere conceptele introduse: Cooper pereche de electroni suprafața Fermi frecvența Debye și așa mai departe. Teoria operează Ecuații poziții probabilistice ale particulelor, funcția Boltzmann. Potrivit reprezentări ale științei, la începutul secolului XX, în fiecare metal există o anumită concentrație de electroni împrăștiate la întâmplare, dar ascultă modelul Boltzmann. Aceste teorii diferite au fost numite:

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

Conform modelului Boltzmann, energia medie de translație a mișcării particulelor este 2/3 kT, unde k - este Boltzmann. Conform acestei interpretări emf termoelectric este o funcție a concentrației de particule din cele două metale ale termocuplu și temperatura (vezi. Fig.). Este ușor de verificat că formula prezentată pentru metalul nu corespunde observațiilor reale. Acest lucru se realizează prin simpla numărare a valorilor EMF pe împărțirea intervalului de temperatură și de a găsi coeficientul Seebeck. El a supraestimat în mod clar.

Controverse Formula începutul secolului XX a fost eliminat Frenkel și teoria lui Sommerfeld (1927). Acum electronii sunt plasate în modelul statisticii cuantice ale Fermi-Dirac. Coeficientul Sommerfeld Seebeck se obține o cantitate foarte mică. Acest lucru este ușor de explicat prin faptul că formula teoriei cinetice funcționează cu concentrații de electroni în mod direct, dar acestea sunt dificil de măsurat și de a urmări.

Semiconductori mai bine ascultă teoria cinetică. Electronii dintr-un material cu o densitate mai mare difuză și de a ajunge pentru interfață. Procesul continuă atâta timp cât câmpul contra „emigranți“ contrabalansează fluxul mișcării contra. În ceea ce privește explicarea procesului teoriei cinetice nu este diferită de argumentele, exprimate cele două poziții mai sus, dar există nuanțe:

1. Cu creșterea concentrației de purtători ai unui anumit flux de semn le duce până la capăt rece, dar taxa sunt deja acumulate împiedică în timpul procesului. Purtătorii semnului opus, dimpotrivă, accelerată de câmp. Ca rezultat, contor curge la limita dintre mass-media vor fi egale, iar diferența de potențial este valoarea temperaturii determinată.
2. Coeficientul de difuzie este strâns asociat cu mobilitatea de încărcare. Această relație este stabilită de Einstein. Concentrația neuniformă este creată, astfel, gradientul de temperatură. Mai puține cheltuieli mobile formează un fel de plută în calea sa, din cauza vitezei reduse de deplasare. Domeniul acestei acumulări de purtători de sarcină de particule opuse aripi semn. Ca urmare, procesul ajunge la echilibru.

Prezența a două simboluri purtătoare datorită coeficienților mari SEEBECK în semiconductor. In metale au o concentrație crescută de electroni ajunge la 10 sextillions pe centimetru cub. În consecință, fluctuațiile de temperatură ale cifrelor nu poate fi mare, ceea ce explică coeficientul scăzut Seebeck de metale.