Coeficientul termoconductorului este determinat de caracteristicile fizice ale conductorilor care compun elementul termic: concentrația, spectrul de energie, mecanismele de împrăștiere a suportului de sarcină și intervalul de temperatură. În unele cazuri, când temperatura se schimbă, chiar semnul a se modifică.
Puterea termoelectrică se datorează trei cauze:
1) dependența de temperatură a nivelului Fermi, care conduce la apariția unei componente de contact a termoplantului;
2) difuzia purtătorilor de sarcină de la capătul fierbinte până la capătul rece, care determină partea volumică a puterii termoelectrice;
3) procesul de antrenare a electronilor de către fononi, care oferă o componentă suplimentară, componenta fononică.
Luați în considerare primul motiv. În ciuda faptului că nivelul Fermi din conductori depinde puțin de temperatură (gazul de electroni este degenerat), această dependență are o importanță fundamentală pentru înțelegerea fenomenelor termoelectrice. Dacă ambele joncțiuni ale termoelementului sunt la aceeași temperatură, diferențele de potențial de contact sunt egale și direcționate în direcții opuse, adică se compensează reciproc. Dacă temperatura joncțiunilor este diferită, diferențele interne ale potențialului de contact vor fi, de asemenea, diferite. Aceasta duce la o încălcare a echilibrului electric și apariția unei puteri termoelectrice de contact ():
unde E F este energia Fermi;
k este constanta Boltzmann;
e este încărcarea electronică.
Pentru electronii liberi, un must varia liniar cu temperatura.
Cea de-a doua cauză se datorează componentei volumice a termoplantului, care este asociată cu o distribuție neomogenă a temperaturii în conductor. Dacă gradientul de temperatură este menținut constant, un flux constant de căldură va curge prin conductor. În metale, transferul de căldură are loc în principal prin mișcarea electronilor de conducere. Se produce un flux de electroni de difuzie, îndreptat împotriva gradientului de temperatură. Ca rezultat, concentrația de electroni la capătul fierbinte va scădea și la creșterea rece. În interiorul conductorului, se formează un câmp electric E T îndreptat împotriva gradientului de temperatură, care împiedică separarea suplimentară a sarcinilor (figura 2).
Apariția termoEMF într-un material omogen datorită neomogenității spațiale a temperaturii
Tension apare câmpul termoelectric este determinată de un gradient de temperatură de-a lungul probei (E T = Ah dT / dx), iar diferența de potențial (emf termică) - diferența de temperatură (Dj T = aD T).
Astfel, în starea de echilibru, prezența unui gradient de temperatură de-a lungul eșantionului creează o diferență constantă de potențial la capetele sale. Aceasta este componenta de difuzie (sau vrac) a termoplantului, care este determinată de dependența de temperatură a concentrației purtătorilor de sarcină și a mobilității acestora. Câmpul electric apare în acest caz în volumul metalului, și nu la contactele propriu-zise.
În cazul purtătorilor de sarcină pozitivi (orificii), capătul încălzit este încărcat negativ, iar frigul este pozitiv, ceea ce duce la o schimbare a semnalului termoplantului. În conductorii de tip mixt, electronii și găurile difuzate simultan de la capătul fierbinte până la frig, incitând câmpurile electrice în direcții opuse. În unele cazuri, aceste câmpuri se compensează reciproc și nu există diferențe în ceea ce privește potențialul între scopuri. Acesta este cazul în plumb.
Cea de-a treia sursă de energie termoelectrică este tragerea fononică a electronilor. În prezența unui gradient al temperaturii de-a lungul conductorului, apare un deviație de fonon, direcționat de la capătul fierbinte până la capătul rece. Confruntați cu electroni, fononii îi informează despre mișcarea orientată, purtându-i împreună cu ei. Ca rezultat, o încărcătură negativă se va acumula în apropierea capătului rece al eșantionului (și pozitiv la capătul fierbinte) până când diferența de potențial rezultată nu va echilibra efectul de antrenare. Această diferență de potențial este, de asemenea, o componentă suplimentară a termoplantului, a cărui contribuție la temperaturi joase devine decisivă.
Derivarea riguroasă a puterii termoelectrice din ecuația cinetică este destul de complicată. În general, cauza tuturor fenomenelor termoelectrice este încălcarea echilibrului termic în flux (adică diferența dintre energia electronică medie în flux și valoarea sa la nivelul Fermi). Expresia cea mai generală pentru coeficientul puterii termoelectrice a metalelor (adică pentru un gaz de electroni foarte degenerat) este:
Presupunând că dependența conductivității metalului (metalelor) de energia (E) este suficient de slabă, pentru electronii liberi se obține formula:
Valorile absolute ale tuturor coeficienților termoelectrici cresc odată cu scăderea concentrației purtătoare. În metale, concentrațiile de electroni liberi sunt foarte mari și nu depind de temperatură; gazul de electroni este într-o stare degenerată și, prin urmare, nivelul Fermi, vitezele de energie și de electroni depind, de asemenea, slab de temperatură. Prin urmare, puterea termoelectrică a metalelor "clasice" este foarte mică (de ordinul câtorva μV / K). Pentru semiconductori, o poate depăși 1000 μV / K
Pentru comparație, Tabelul prezintă valorile unei anumite metale (în raport cu plumb) pentru intervalul de temperatură 0 ° C e 100 ° C (un semn pozitiv este atribuit metalele la care curge un curent prin joncțiunea încălzită).
Datele furnizate nu ar trebui considerate absolut fiabile, deoarece puterea termoelectrică depinde de puritatea materialului și este foarte sensibilă la influențele mecanice și chimice externe.
Toate fenomenele termoelectrice se referă la fenomene de transport și sunt cauzate de fluxurile electrice sau termice care apar în mediu în prezența câmpurilor electrice și termice. Motivul pentru toate fenomenele termoelectrice este că energia purtătoare medie în flux diferă de energia medie în starea de echilibru.
În plus față de efectul Seebeck, efectul Peltier, care este inversul fenomenului Seebeck și efectul Thomson, este atribuit fenomenelor termoelectrice.
Puterea termoelectrică a este legată de coeficienții Peltier (p) și Thomson (t) prin relația:
Efectul Seebeck, ca și alte fenomene termoelectrice, are un caracter fenomenologic.
Întrucât circuitele și dispozitivele electrice au întotdeauna joncțiuni și contacte ale diferiților conductori, atunci când temperatura fluctuează la punctele de contact, apare o putere termoelectrică, care trebuie luată în considerare la măsurători exacte.
Pe de altă parte, termo-emf-ul găsește o aplicație practică largă. Efectul Seebeck în metale este utilizat în termocupluri pentru a măsura temperaturile. În ceea ce privește generatoarele termoelectrice, în care energia termică este convertită direct la electricitate, ele utilizează termoelemente semiconductoare cu o putere termică mult mai mare.
Efectul a fost descoperit în 1821. T.I. Seebeck (Th. J. Seebeck).
Timp de inițiere (log t o de la -3 la 2);
Timpul de existență (log t c de la 15 la 15);
Timp de degradare (log t d de la -3 la 2);
Timpul dezvoltării optime (log t k de la -2 la 3).
Implementarea tehnică a efectului
Cea mai importanta implementare tehnica a efectului Seebeck in metale este un termocuplu - un element termosensibil in dispozitivele de masurare a temperaturii. Termocuplul este alcătuit din doi conductori metalici de lipit M1 și M2 conectați în serie prin lipire sau sudare. În combinație cu aparatele electrice de măsură, termocuplul formează un termometru termoelectric, a cărui scală este calibrată direct în K sau ° C.
În Fig. 3 prezintă schemele de comutare a termocuplului într-un circuit de măsurare:
a) dispozitivul de măsurare 1 este conectat prin intermediul firelor de legătură 2 la ruperea unuia dintre termoelectrodele M1;
b) dispozitivul de măsurare este conectat la capetele termoelectrodelor M1 și M2; T A și T B sunt temperaturile contactelor cu termocuplu "fierbinte" și "rece", respectiv.
O schemă tipică pentru pornirea unui senzor termoelectric cu contact termostatat
O schemă tipică pentru pornirea unui senzor termoelectric cu un contact "inactiv" neterminat
La măsurarea temperaturii, unul dintre contacte este de obicei termostatat (de obicei la 273 K - folosind gheața topită).
Intervalul de temperaturi măsurat cu termocupluri este foarte mare: de la heliu la câteva mii de grade. Tabelul 2 prezintă materialele termoelectrozi, dintre care termocuplurile sunt de obicei utilizate, utilizate pentru diferite regiuni de temperatură.
În funcție de scopul termocuplului sunt: staționare și portabile, cu o umiditate-dovada inexplozibil, coajă ermetic și fără ea, fără vibrații proof și altele.
Cu Seebeck fenomen, în afară de temperatura poate fi determinată, și alte mărimi fizice, măsurarea care poate fi redusă la temperaturi de măsurare: AC putere, fluxul de energie radiantă, presiunea gazului, etc.
Pentru a crește sensibilitatea, termocuplurile sunt conectate în serie la termo-baterii (figura 4). În acest caz, toate joncțiunile parțiale sunt menținute la aceeași temperatură, iar toate joncțiunile ciudate sunt menținute la cealaltă temperatură. Edsurile unei astfel de baterii sunt egale cu suma puterii termoelectrice a elementelor individuale.
Bateriile termo-termice (așa-numitele termopile) sunt utilizate cu succes pentru a măsura intensitatea luminii (atât vizibilă cât și invizibilă). În combinație cu un galvanometru sensibil, ele au o mare sensibilitate: ei detectează, de exemplu, radiația termică a unei mâini umane.
Bateria termo este de asemenea interesantă ca un generator de curent electric. Cu toate acestea, utilizarea termoelementelor metalice este ineficientă, prin urmare, materialele semiconductoare sunt folosite pentru a transforma energia termică în energie electrică.
3. Sivukhin S.D. Cursul general al fizicii - M. Nauka, 1977.-T.3. Electricitate .- P.481-487.
4. Stilbans L.S. Fizica semiconductorilor. - M. 1967.- P.75-83, 292-311.
Sectiile de stiinte naturale:
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: