Termoelectricitatea este

Termoelectricitate
efect transformarea directă a căldurii în energie electrică în conductorii solizi sau lichizi, precum și fenomenul invers încălzirii directe și răcire joncțiunea dintre două conductoare care trec curent. Termenul "termoelectricitate" acoperă trei efecte interdependente: efectul termoelectric Seebeck și efectele electrotermice ale Peltier și Thomson. Toate acestea sunt caracterizate de coeficienți corespunzători, diferiți pentru diferite materiale. Acești coeficienți sunt legați unul de celălalt prin așa-numitele relații Kelvin. Ele sunt determinate atât de parametrii joncțiunilor, cât și de proprietățile materialelor în sine. Alte fenomene care implică căldură și electricitate, cum ar fi de emisie termionic și efectul termic al curentului descris de legea lui Joule - Lenz, semnificativ diferit de efectele termoelectrice și electrotermice și nu sunt luate în considerare aici.






Vezi de asemenea
CĂLDURĂ;
EMISIILE TERMOELECTRONICE;
Termodinamicii.
Efectul termoelectric al Seebeck. În 1820, raportul lui G. Ersted a arătat că acul magnetic deviază în apropierea unui fir cu curent electric. În 1821, T. Zebeek a remarcat faptul că săgeata se abate și atunci când două articulații ale unui circuit electric închis alcătuit din două materiale conductive diferite sunt menținute la temperaturi diferite. Seebeck credea inițial că acesta este un efect pur magnetic. Dar mai târziu a devenit clar că diferența de temperatură a determinat apariția unui curent electric în circuit (Figura 1). O caracteristică importantă a proprietăților termice ale materialelor care constituie circuitul este tensiunea la capetele unui circuit deschis (adică atunci când una din articulații este deconectat electric), ca un curent de buclă închisă și tensiune fire rezistivitate dependente. Această tensiune VAB circuit deschis (T1, T2), în funcție de temperaturile T1 și T2 joncțiunile (Fig. 2) se numește forță electromotoare termoelectric (emf termică). Seebeck pus bazele pentru continuarea lucrărilor în domeniul thermoelectricity, prin măsurarea forței termo-electromotoare a unei game largi de lichide și solide metale, aliaje, minerale și chiar un număr de substanțe, numite acum semiconductori.

Efect electrotermic Peltier. În 1834 ceasornicarul francez Zh.Pelte a observat că, în timpul trecerii curentului prin intersecția a două conductoare diferite de temperatură de joncțiune variază. La fel ca Zeebeck, Peltier la început nu a văzut acest lucru ca pe un efect electrotermic. Dar, în 1838 E.H.Lents, un membru al Academiei de Științe St. Petersburg, a arătat că, la o intensitate a curentului suficient de mare de o picătură de apă aplicată la intersecția, puteți fie să înghețe sau să se fierbe, schimbând direcția curentului. Într-o direcție a curentului, joncțiunea este încălzită, iar în direcția opusă se răcește. Acesta este efectul lui Peltier (Figura 3), inversul efectului Seebeck.

Efectul electrotermic al lui Thomson. În 1854, William Thomson (Lord Kelvin), au constatat că, dacă un conductor termic metalic la un moment dat și, în același timp, pentru a trece un curent electric prin ea, la capetele conductorului, echidistante din punctul de încălzire (Fig. 4), apare o diferență de temperatură. La sfârșitul unde curentul este direcționat spre locul de încălzire, temperatura scade, iar la celălalt capăt, unde curentul este direcționat de la punctul de încălzire, crește. Coeficientul Thomson este singurul coeficient termoelectric care poate fi măsurat pe un conductor omogen. Ulterior, Thomson a arătat că toate cele trei fenomene ale termoelectricității sunt legate între ele de relațiile Kelvin menționate mai sus.

Termocuplu. Dacă materialele circuitului din Fig. 2 sunt omogene, termo-emf depinde doar de materialele selectate și de temperaturile joncțiunilor. Această poziție stabilită experimental, numită legea lui Magnus, stă la baza aplicării așa-numitei. Termocupluri - un dispozitiv pentru măsurarea temperaturii, care are o importanță practică deosebită. Dacă proprietățile termice ale perechilor conductoare sunt cunoscute și unul dintre intersecții (să zicem, o temperatură T1 în Fig. 2) este menținut la o temperatură cu precizie cunoscută (de exemplu, 0 ° C, punctul de îngheț al apei), forța termo-electromotoare este proporțională cu temperatura T2 celeilalte joncțiunii. Termocuplu de platină și platină-rodiu din aliaj de temperatura măsurată 0-1700 ° C, din cupru și aliaje multicomponente constantan - de la -160 până la + 380 ° C, și aur (cu adaosuri foarte mici de fier) ​​și Chromel multicomponent - în valori doar o fracțiune de grad mai mare decât zero absolut (0 K, sau -273,16 ° C). Termo-emful unui termocuplu metalic cu o diferență de temperatură la capete egală cu 100 ° C este o valoare de ordinul de 1 mV. Pentru a crește sensibilitatea traductorului de temperatură, mai multe termocupluri pot fi conectate în serie (figura 5). Se obține o baterie termică în care un capăt al tuturor termocuplurilor este la temperatura T1, iar celălalt la temperatura T2. Temperatura termică a bateriei este egală cu suma termo-emf a termocuplurilor individuale.

Deoarece termocuplurile și joncțiunile lor pot fi făcute mici și convenabile pentru a fi utilizate într-o varietate de condiții, acestea au găsit o aplicare largă în dispozitivele de măsurare, înregistrare și control al temperaturii.
Proprietățile termoelectrice ale metalelor. Efectul Seebeck este, de obicei, mai ușor decât alte efecte termoelectrice care pot fi măsurate în mod fiabil. Prin urmare, este de obicei folosit pentru a măsura coeficienții termoelectrici ai materialelor necunoscute. Deoarece tensiunea termoelectrică este determinată de proprietățile celor două ramuri ale unui termocuplu, o ramură trebuie să fie dintr-un anumit material „de referință“, care este cunoscut pentru forța „specific“ termo-electromotoare (emf termică per diferență de temperatură de grade). În cazul în care o ramură a termocuplului este în starea supraconductoare, forța specifică termo-electromotoare este egal cu zero, iar tensiunea electromotoare termică a termocuplului este determinată de specific termo-electromotoare a cealaltă ramură. Astfel, un superconductor este un material "de referință" ideal pentru măsurarea termo-emfului specific al materialelor necunoscute. Înainte de 1986, cea mai mare temperatură la care metalul putea fi menținută în starea superconductoare a fost de numai 10 K (-263 ° C). În prezent, supraconductorii pot fi utilizați până la aproximativ 100 K (-173 ° C). La temperaturi mai ridicate, este necesar să se efectueze măsurători cu materiale de susținere neconductoare. Până la temperatura camerei și temperaturile ușor mai ridicate, plumbul este de obicei utilizat ca material de suport, iar aurul și platina sunt chiar mai mari.
Vezi și SUPERCONDUCTIVITATE. Efectul Seebeck din metale are două componente - unul dintre ele este legat de difuzia de electroni, iar celălalt se datorează hobby-ului fonon. Difuzia electronilor cauzate de faptul că încălzirea conductorului metalic la un capăt la acel capăt este mulți electroni cu o energie cinetică ridicată, iar pe de altă parte - mici. Electronii cu energie mare difuză spre capătul rece, până când difuzia ulterioară este împiedicată prin repulsia din sarcina negativă a electronilor acumulați aici. Această acumulare a sarcinii determină componenta de putere termoelectrică asociată cu difuzia de electroni. Componenta asociată cu antrenarea fononică rezultă din faptul că atunci când un capăt al conductorului este încălzit la acest capăt, energia vibrațiilor termice ale atomilor crește. Vibrațiile se propagă spre capătul rece, iar în această mișcare atomii se ciocnesc cu electronii ei trec de energia lor a crescut și le antrenează în direcția de propagare a fononilor - zăbrele vibrație. Acumularea corespunzătoare a sarcinii determină a doua componentă a termo-emfului. Ambele procese (difuzia de electroni și tragerea fononului lor) conduc de obicei la acumularea de electroni la capătul rece al conductorului. În acest caz, termo-emf-ul specific este, prin definiție, considerat negativ. Dar, în unele cazuri, din cauza distribuției complicate a numărului de electroni cu energii diferite în metalul dat și datorită tiparelor complexe de imprastiere de electroni și atomii vibratorii în coliziuni cu alți atomi și electroni, electronii se acumulează pe capătul încălzit și forța specifică termo-electromotoare este pozitiv. Cel mai mare EMF termic este caracteristic termocuplilor compuși din metale cu termo-EMF specifice semnului opus. În acest caz, electronii din ambele metale se mișcă în aceeași direcție.
Proprietățile termoelectrice ale semiconductorilor. În anii 1920-1930, oamenii de știință au descoperit o serie de materiale cu conductivitate redusă, denumite acum semiconductori, a căror EMF termică specifică este de mii de ori mai mare decât cea a metalelor. Prin urmare, semiconductorii sunt mai potriviți decât metalele pentru fabricarea termopilelor, care necesită termoelemente mari sau încălzirea sau răcirea termoelectrică intensă. Ca și în cazul metalelor, semiconductoarelor de putere termoelectrice au două componente (legate de difuzarea de electroni și trageți fononului cu ele) și pot fi negative sau pozitive. Cele mai bune termopile sunt obținute din semiconductori cu un termo-emf al semnului opus.
Dispozitive termoelectrice. Dacă creați un contact termic bun dintr-un grup de intersecții termofile cu orice sursă de căldură, cum ar fi o cantitate mică de material radioactiv, tensiunea de ieșire a termopilă va fi generat. Eficiența conversiei energiei termice în energie electrică în astfel de generatoare termoelectrice atinge 16-17% (pentru centralele cu turbină cu abur, eficiența termică este de 20-40%). generatoare termoelectrice sunt utilizate în locații îndepărtate din lume (de exemplu, în Arctica) și stațiile de interplanetare în cazul în care alimentarea cu energie de viață lungă necesară, de dimensiuni mici, lipsa de piese mecanice în mișcare, și sensibilitate redusă la condițiile de mediu. Puteți, de asemenea, prin atașarea unei surse de curent la terminalele termobateriei, trecând curentul prin termocuplurile sale. Un grup de joncțiuni termopile se va încălzi și celălalt se va răci. Astfel, termofilă poate fi utilizat fie ca un încălzitor termoelectric (de exemplu, pentru sticle de alimente pentru copii) sau ca un frigider termoelectrică.
Vezi și ECHIPAMENTUL DE REFRIGERARE. Eficiența termocupluri pentru generatoarele termoelectrice comparative de calitate estimată Z = metric (S2sT) / k, unde T - temperatura, S - emf termică specifică, k - conductivitate termică, și s - conductivitate specifică. Cu cât este mai mare S, cu atât mai mare este temperatura termică la o anumită diferență de temperatură. Cu cât este mai mare s, cu atât este mai mare curentul din circuit. Cu cât este mai mică k, cu atât este mai ușor să mențineți diferența de temperatură necesară pe intersecțiile termobateriei.
REFERINȚE
Veinik A.I. Termodinamic abur. Minsk, 1973 Anatyrchuk L.I. Dispozitive termice și dispozitive termoelectrice. Kiev, 1979 răcitoare termoelectrice. M. 1983 Quinn T. Temperatură. M. 1986

Trimiteți-le prietenilor: