Efectul Seebeck-ului

Modelele termoelectrice includ efectele lui Seebeck, Peltier și Thomson. Aceste fenomene au găsit o aplicare largă, în special efectul Seebeck, care este baza pentru măsurarea temperaturilor cu termometre termoelectrice.







Fenomenul Seebeck descoperit în 1821 G. & constă în faptul că termocuple, care joncțiuni sunt la temperaturi diferite, există o forță thermoelectromotive (EMF termic).

Efectul Seebeck-ului

Dacă există un gradient de temperatură de-a lungul conductorului, atunci electronii la capătul cald dobândesc energii și viteze mai mari decât în ​​cel rece; în semiconductori, în plus, concentrația electronilor de conducere crește cu temperatura. Ca urmare, există un flux de electroni de la capătul fierbinte până la capătul rece și o încărcare negativă se acumulează la capătul rece și nu rămâne o sarcină pozitivă compensată pe capătul fierbinte.

Procesul de acumulare a sarcinii continuă până când diferența de potențial rezultată determină curgerea electronilor în direcția opusă egală cu cea primară, astfel încât să se stabilească echilibrul.

Într-un circuit electric format din conductori diferiți (M1 și M2), apare o temperatură termică dacă punctele de contact (A.B) sunt menținute la temperaturi diferite. Când circuitul este închis, în el curge un curent electric (numit termocurent), iar schimbarea semnului diferenței de temperatură a joncțiunii este însoțită de o schimbare în direcția termocurenței (figura 5).

Efectul Seebeck-ului

Apariția unui curent indus termic în două conductoare sudate la diferite temperaturi de contact

Amplitudinea termoplantului depinde de valorile absolute ale temperaturilor de joncțiune (TA, TB), de diferența dintre aceste temperaturi și de natura materialelor care alcătuiesc termoelementul. Într-un interval mic de temperatură, termoconductorul  poate fi considerat proporțional cu diferența de temperatură:

Aici 12 este puterea termoelectrică a unei perechi (sau a coeficientului puterii termoelectrice) a metalului 1 față de metalul 2, care este o caracteristică a ambelor metale ale termocuplului. În practică, acest lucru creează anumite inconveniente. Prin urmare, am convenit să măsuram valoarea  față de același metal, pentru care este convenabil să luați plumb. deoarece pentru o probă de plumb, nu există o diferență de potențial între capetele sale încălzite și cele reci.

Valorile coeficienților de putere termoelectrică ale metalelor M1 și M2 față de plumb sunt notate cu 1 și respectiv α2 și se numesc coeficienții absolut ai termoplantului. atunci

Direcția termocurentului este definită după cum urmează: într-o joncțiune încălzită, curentul curge de la un metal cu o valoare mai mică de  la un metal al cărui coeficient termo-emf este mai mare. De exemplu, pentru un termocuplu, fierul (M1) este constantan (M2): 1 = +15,0 μV / K; 2 = -38,0 μV / K. În consecință, curentul în joncțiunea fierbinte este direcționat de la constantan la fier (de la M2 la M1). Aceasta este situația (când 2 <1 ) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 4.

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 se produce o schimbare a semnului de proizходит.

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.







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 ():

k este constanta Boltzmann;

e este încărcarea electronică.

Pentru electronii liberi,  k ar trebui să varieze 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 va fi un câmp electric ET. îndreptată împotriva gradientului de temperatură, care împiedică separarea suplimentară a sarcinilor (Figura 6).

Efectul Seebeck-ului

Apariția termoEMF într-un material omogen datorită neomogenității temperaturii spațiale

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.

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,  poate depăși 1000 μV / K

Pentru comparație, Tabelul prezintă valorile unei anumite metale (în raport cu plumb) pentru intervalul de temperatură de 0 ° C până la 100 ° C (semnul pozitiv este atribuit  acele metale care curge curent prin joncțiunea încălzită).

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.

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.

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.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: