Seebeckeffekten

Seebeckeffekten - är bildandet av en potentialskillnad vid gränsgränsytan av två olika material genom upphettning av tekniken.

från historia

Historien är tyst, ville han få Seebeck 1822, då värmde kontakt från antimon och vismut. Kanske effekten var resultatet av slumpmässiga sammanträffanden, som ofta händer, och hur det gick till i Oersted av kompasspilen. Galvanometern Seebeck registreras när en hand höll termo korsningen. Det anses vara en lycklig slump, han är skyldig att äga en framgångsrik kompass design. Anordningen bestod av två halvor: en metallram, kanten på en annan glaslocket. Vila handen på fastigheten, Seebeck nämnda avvikelse av magnet nålen från sitt utgångsläge. Visst skillnaden var inte alltför märkbar, men forskaren tålmodigt upprepa upplevelsen av att titta på resultatet.

Figuren visar att displayen lampan orsakar signifikant avböjning av det magnetiska meridianen. Detta beror på att fältströmmen flyter. Häftklammer, följa pil ovan, uppbär avgifter (positivt tecken) i nämnda riktning. Skapar en cirkulär magnetfält som förändrar kompassen. Det är inte känt för vissa om kompassen gjordes från antimon och vismut eller Seebeck fann material senare i privat, men fortfarande termo är ofta gjorda av dessa metaller. Kombinationen är vald för dess höga effektivitet.

Användningen av termoelektriska generatorer

Experimentera, fann vi att effektiviteten i termo når nästan 3%. I början av XIX-talet är det ganska bra, kan konkurrera med någon ångmaskin. I sovjetiska litteraturen ger information som den termoelektriska effektiviteten inte nådde 0,5%. För det första är det inte alltid gäller enskilda termoelement, och för det andra anses vara kommunistisk propaganda. Under sovjettiden, märkta persondatorer (ett koncept som utvecklats i Sovjetunionen), och nu någon officiell har en helt ny bärbar dator från Korea eller USA. Författarna är mer benägna att lita på utländska källor, vilket siffror i storleksordningen 3%.

Georg Ohm, med användning av ett termoelement, öppnas den välkända lagen, Faraday använde dem för elektrolys forskning. Forskare snabbt fått smak för, och i mitten av artonhundratalet redan var närvarande termoelektriska generatorer tillräckligt stor prestation - och för beklädnad av metalldelar. Med rapporten Seebeck termo blivit en integrerad del av de experimentella anläggningar där krävs för att få stabilitet. Och i början av XX-talet har vi skapat en rad strukturer.

Den ryska tidningen skrev om belysning termo ugn är Gyulhera batteri som används för att ladda batterierna. Intresset för detta område något försvagad efter uppfinningen av förbränningsmotorn och elmotorer, men i den moderna världen termo anses lovande kraftkällor för utveckling av vyn. Dock verkade möjligheten att använda solstrålarna attraktiva, även i början av XX-talet. De första experimentella data som publicerats i 1922 var: "Apparaten 105 av termoelement (koppar-konstantan), ett område av 1 sq. cm vardera, vilket demonstrerar effektiviteten av 0,008%, vid middagstid ger energi av ca 61 mW. "

Samtidigt började Seebeckeffekten som ska användas för att driva bärbara radioapparater. Ämnet för termoelektriska generatorer som visas reklamka den tiden. På ren svenska läsare ges att förstå att det nya nätaggregatet är bra att lyssna på de senaste nyheterna. Inte undra på att på kort tid och dök upp i Sovjetunionen Journal konstaterar älskare, rapporterades det att värme fotogenlampa förnuftigt kan användas för att driva elektronikkretsar. Czeczik i tidskriften "de fattiga" (1928) rapporterade en generator av sin egen design av järn-nickel termoelement. Samma typ av artikel dök upp i på nummer 13, "Radifront" tidningen 1937.

Efterkrigs- generatorer Seebeck-effekten gav en gynnsam effekt i en mängd av 1 Watt effekt för 1 kg vikt. Men effektiviteten är fortfarande låg. I en rysk litteratur höger - sovjetiska artiklar inte gå före resten. Redan under andra världskriget, Seebeckeffekten levereras den tysta energin i radiooperatörer, värmde sig vid en brand i en orolig tid. Övervägt möjligheten att använda igen, många fysik läroböcker innehåller information om generatorn Joffe, skapades i början av 50-talet (se. Fig.). Med den tid trodde man att det är möjligt att uppnå effektivitet på 5-7%, utfärdades generator TGK-3 för Radio. solcellsområdet på 360 kvadrat skapades. se att gav 0,175 watt vid en effektivitet av 0,59%. Man kan se att det har ökat markant.

Till exempel, fotogenlampa generator Ioffe prov 50s radio tillåta matning vid en temperatur i de inre korsningar av 300-350 grader Celsius och externa - i området av 60. Då har vi visat förmåga att skapa enheter med en verkningsgrad på 8%. Historien om utvecklingen av termoelektriska generatorer till den senaste möjliga tid att tänka på det aktuella avsnittet och nu titta på de fysiska processer som sker i ledarna.

termiska sensorer

I början av 80-talet till 40% av alla industriella mätningar som krävs på temperaturen och 2/3 av att antalet sensorer som arbetar på Seebeck-effekten. Forskarna kom snabbt fram till att den låga effektiviteten motiveras av hög precision. I Sovjetunionen, skulle det ha lärt förr bry sig om att översätta till ryska arbete Georg Ohm tidiga 20-talet av artonhundratalet. Skakning bredd appliceringsanordningar - 0,5-3000 K.

Rampant industrialisering har orsakat behovet av nya metoder för att kontrollera teknologiska processer. För växande horisonter inte hänga med arbetarklassen och människor i behov av vila och fritid. För att citera en författare, har vetenskapliga upptäckter blivit vardagsmat i USA, när det var möjligt att fastställa liv och lugna militanta indianer. Utan vetenskap, inte landet inte utvecklas och ser inte vinsten, fritid och fri tid betraktas som en värdefull resurs. Fördelarna med sensorerna på Seebeckeffekten är:

1. Låg tröghet. Om det krävs av den första produktstabiliteten, vilket gör dem medvetet besvärlig, långsam reaktion på den yttre miljön, modern termo (se. Fig.) Är liten i storlek och ingår i kompositionen och konsumentanordningar (t ex kylskåp).
   

   modern termo

2. Enkel installation. Mannen som står inför behovet av att ersätta barometer kylskåpet termostaten vet hur det är svårt och tidskrävande process. Termoelementet är anslutet ett snitt av tråden, snabbt och enkelt.
3. Ett omfattande utbud av temperaturmätning har understruken. Idag säljs även testare konsumenttermo som en sensor. Räckvidden är beroende av designfunktioner, är det lätt att välja prisvärda och avancerade funktioner.
4. Den tekniska processen kännetecknas av repeterbara parametrar från sats till sats likformighet, enkel tillverkning, möjligheten till miniatyrisering, lämplig för automatiserad montering.

Dessa funktioner gör det möjligt att på ett flexibelt sätt, korrekt och snabbt spåra temperaturförändringar. Känsligheten hos produkten bestäms av Seebeck-koefficienten, och nådde 100 mV / K. Det viktigaste kännetecknet för termoelement - stabilitetsparametern beroende på mekaniska, termiska, magnetisk, och så vidare. effekter. Därför är det inte alltid anses vara den viktigaste kännetecknet av stabilitet. Det är ibland till nackdel för effektiviteten genom att välja en legering med maximalt motstånd mot vissa yttre faktorer.

Hur fungerar ett termoelement

Seebeckeffekten är sedan länge varit utan förklaring. Idag skiljer två teorier som beskriver processer:

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

Detta tyder på att korrekta uppgifter om verkningsmekanismen för termo i dagens vetenskap är inte där.

enkel förklaring

Först, i stället för ett dopp i den komplexa teori föreslås att överväga den enkla förklaringen som ges av studenter olika universitet. Professorer tolka en händelse, baserat på termisk emission fenomen och elektronegativitet hos metaller och legeringar. Den första är känd för att vara flöt på ljuset när glödlampan glödtråd utvecklas. Förutsättningar blev Edisons forskning. Elektroniska lampa fungerar eftersom i vakuum förvärmda elektroden börjar avge laddningsbärare från ytan. Naturligtvis var snart etablerade ledande inom området är ytan nu täcks av elektrolys av rätt material.

Kärnan i effekten av termojoniska utsläpp: laddningsbärare uppvisar noll arbetsfunktion kristallgittret. Det förmodas att vid normal temperatur svävar ovanför metallytan en tunn elektronmoln. Men på kroppen bilden av den positiva laddningen på fallet är det inte. Som ett resultat, upphetta utgångs elektron får energi och kunna lämna metallen. Mycket intensitet av processen observeras vid en temperatur av 1000 K. Arbetet funktion är inte densamma för metaller, forskare tror att detta delvis beror på deras elektronegativitet.

När de två proverna i kontakt börjar omfördelningsprocessen. Detta sker tills en tät elektronmoln av metall balanserar den andra. Processen verkar vara fullständig. Men... bara Seebeck upptäckt att värme utgör avgifter. Rekombination inträffar, fusion och sönderfall, som ett resultat av termoelement som bildas vid ändarna av potentialskillnaden. Effekten förstärks genom användning av två eller flera föreningspunkter. Vad man ska göra fysik i första hälften av artonhundratalet. Då den första termoelementövergången upphettas och den andra kyls.

Vid upphettning, varpdensitet av elektron moln av de två metallerna växer sig starkare. Följaktligen ökar potentialskillnad. Energi avlägsnar värmeenergi kompenseras strömkälla. Seebeck-effekten visar sig vid någon temperatur, ökar starkt med en ökning.

Den termodynamiska teorin om Seebeckeffekten

Termodynamisk teori arbetar med gemensamma värderingar: flöde, övertoningar krafter. Genom att lösa ekvationerna erhållna Ohms lag på förhållandet mellan ström, spänning, resistans och Fourier - värmeflöde av kommunikation och temperaturgradienten. Infört särskilda faktorer med specifika namn:

• Isolerade konduktivitet (inversen av resistivitet);
• värmeledningsförmåga.

Den resulterande ekvationen är en följd av närvaron av en gång tre effekter: Seebeck, Peltier och Lord Kelvin. De ligger för det mesta experimentella, utan en teori. Seebeckeffekten är redan ganska betraktas, upptäckte Peltier bildningen av omvänd skillnad junction temperatur av den nuvarande. Thomson effekt invecklad. Han hävdar att när det längs (skillnad) ledaren temperaturgradient börjar överföras (släppt eller absorberas) värme. undersökts och visat i lag i den termodynamiska teorin:

1. Mellanliggande metaller i en sluten krets tillverkad av olika metaller vid samma temperatur EMF nollsumma. Detta anses vara ett uttryck för termodynamikens andra lag. Arbetet görs inte utan energiåtgång. Vad händer på samma korsningar temperatur "Proof: värmeöverföring på grund av den nuvarande omöjligt på grund av Peltier-effekten. Detta skulle leda till en uppvärmning av vissa områden och andra kylning. Det skulle innebära överföring av värme från kallare platser i avsaknad av en extern strömkälla. Luftkonditionering kunde inte fungera på el, men på grund av en speciell kabelanslutningar. "
2. Magnus i den slutna slingan av samma material stöds inte av aktuella temperaturskillnaden. Konsekvens av lagen var EMF beroende enbart på skillnaden mellan kopplingstemperaturer. Oroa dig inte för uppvärmning eller kylning av de yttre förutsättningarna för ledarna själva.
3. Successiv (mellanprodukt) Temperatur: den algebraiska summan av den emk på konturen i området från T1 till T3 är Den algebraiska summan av emk vikt längs konturen vid intervall från T1 till T2 och från T2 till T3, med eventuella värden på T1, T2 och T3.

Alla tre lagen hävdar att det resulterande elektromotoriska kraften blir en funktion av endast junction temperatur. Dessa postulat redovisas som grund för mätningar, bland annat vad som händer i hushållskylskåp. Annan behandling: termo är inte nödvändigtvis innehåller två metaller. Om du vill mäta temperaturgradienten längs thermoelectrode, räcker det för en förekomst av EMF. En andra materialet kommer att kontakta iakttagelserna. Detta är fallet med en degenererad och ganska effektiv termoelement, som härrör från de grundläggande ekvationer av termodynamiska teorin. Följaktligen förutspådde effekten analytiskt.

Den är gjord i bilden nedan med tanke på komplexiteten i inspelningen matematiska formler Internet införandet. Det framgår att i frånvaro av elektrisk ström den första ekvationen för termodynamisk teori är förenklad. Det följer att avlägsna spänningen analog-digital-omvandlare med en mindre strömgräns tillförsel, kostar kylskåp Bosch "termoelement" av en enda metall.

Skilja mellan absolut och relativ EMF. Den andra hänvisar till ett par av material, och den första - karakteriserar endast en enda. Absoluta emk mäts med användning av standard, till vilka andra metoder som redan uppmätta indikerade värdet (olja olja). Från experimenten är en differential EMF, vilket gör det möjligt att beräkna värdet. Standarder för närvarande erkänt:

• För relativt höga temperaturer (över 100 K): platina, guld, koppar, volfram.
• Bly i övriga fall.

Vid mycket låga temperaturer under 20 K absolut EMF bestäms direkt. I vissa material blir noll och, som kombinerar testprovet med ett par omedelbart komma till det önskade värdet. De flesta metaller absolut EMF i intervallet 0-80 mV / K.

kinetisk teori

Den kinetiska teorin har att göra med den icke-jämviktstillstånd i miljön. Han studerar dem i rörelse. Den är baserad på Bardeen-Cooper-Schrieffer, är inte så välkänd för allmänheten. I beaktande av sannolikhets accepterad teori, är varje partikel betraktas individuellt, utan hänsyn till det totala systemets prestanda. För denna teori kallas mikroskopisk.

I beaktande av de begrepp som infördes: Cooper elektronpar Fermi ytan Debye frekvens och så vidare. Teori driver probabilistiska ekvationer positioner hos partiklarna, Boltzmann-funktion. Enligt representationer av vetenskapen i början av XX-talet i varje metall finns det en viss koncentration av elektroner spridda på måfå, men lyda Boltzmann modell. Dessa olika teorier namngavs:

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

Enligt Boltzmann-modellen, är den genomsnittliga translationsrörelseenergi hos partiklarna 2/3 kT, där k - är Boltzmanns konstant. Enligt denna tolkning termoelektriska emk är en funktion av koncentrationen av partiklar i de två metallerna i det termoelement och temperatur (se. Fig.). Det är lätt att kontrollera att formeln presenteras för metallen inte motsvarar verkliga observationer. Detta utförs genom att helt enkelt räkna emk-värdena på att dividera temperaturområde och hitta Seebeck-koefficienten. Han överskattade tydligt.

Tvist formel början av XX-talet eliminerades Frenkel och Sommerfeld teori (1927). Sista elektroner placeras i modellen av kvant statistik av Fermi-Dirac. Sommerfeld Seebeck koefficient erhålles en mycket liten mängd. Detta är lätt förklaras av det faktum att formeln för den kinetiska teorin fungerar med elektronkoncentrationer direkt, men de är svåra att mäta och spåra.

Halvledare bättre lyda den kinetiska teorin. Elektroner från ett material med en högre densitet diffus och nå för gränssnittet. Processen fortsätter så länge som räknarfältet "emigranter" balanserar rörelsen motströms. När det gäller att förklara processen av den kinetiska teorin är inte skiljer sig från de argument, kastade de två rubriker ovan, men det finns nyanser:

1. Med ökad koncentration av bärare av en speciell skylt ström bär dem till den kalla änden, men det finns redan ackumulerad laddning förhindrar under processen. Bärarna av motsatt tecken, tvärtom, accelereras av fältet. Som ett resultat, flödar räknaren vid gränsen mellan medierna kommer att vara lika, och potentialskillnaden är bestämda värdet temperatur.
2. Diffusionskoefficienten är nära förknippad med laddnings rörlighet. Denna relation upprättas av Einstein. Den ojämna koncentrationen skapas således temperaturgradienten. Mindre rörliga kostnader utgör ett slags kork i sin väg på grund av den låga rörelsehastigheten. Området för denna ansamling av laddningsbärare av motsatta tecken vingar partiklar. Som ett resultat, processen når jämvikt.

Närvaron av två bärare symboler beroende på de höga Seebeck koefficienterna i halvledaren. I metaller har en ökad koncentration av elektroner når 10 sextillions per kubikcentimeter. Följaktligen temperatursvängningarna i figurerna kan inte vara stor, vilket förklarar den låga Seebeck-koefficienten av metaller.