Состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников , контакты между которыми находятся при различных температурах .

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

История

Описание

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой .

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): T_1 ) и холодного (Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): T_2 ) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): E можно считать пропорциональной разности температур:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): E = \alpha_{12}(T_2 - T_1), где Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \alpha_{12} меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathcal E = \int\limits_{T_1}^{T_2} \alpha_{12}(T)dT.

Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 °С и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд , а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС .

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов , равная

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): U = \frac{F_2-F_1}{e} , где Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): F - энергия Ферми, Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): e - заряд электрона .

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах - от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом - против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС .

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов , движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

Магнонное увлечение

Использование

• Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Напишите отзыв о статье "Эффект Зеебека"

Ссылки

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Эффект Зеебека

И создала свой памятник – капля по капле ваяя дорогие её сердцу лица.
Они стоят там веками, а вода продолжает свою волшебную работу, делая
их всё ближе и всё более похожими на настоящих...

Позже, чуть отойдя от потрясения, Светодар спросил у Марсилы, знает ли она о том, что он увидел. И когда услышал положительный ответ, его душа буквально «зарыдала» слезами счастья – в этой земле и вправду всё ещё жива была его мать – Золотая Мария! Сама земля Окситании воссоздала в себе эту прекрасную женщину – «оживила» в камне свою Магдалину... Это было настоящим творением любви... Только любящим зодчим была природа.

У меня на глазах блестели слёзы... И совершенно не было за это стыдно. Я очень многое бы отдала, чтобы встретить кого-то из них живыми!.. Особенно Магдалину. Какая же дивная, древняя Магия пылала в душе этой удивительной женщины, когда она создавала своё волшебное царство?! Царство, в котором правило Знание и Понимание, и костяком которого была Любовь. Только не та любовь, о которой кричала «святая» церковь, износив это дивное слово до того, что не хотелось долее его слышать, а та прекрасная и чистая, настоящая и мужественная, единственная и удивительная ЛЮБОВЬ, с именем которой рождались державы... и с именем которой древние воины бросались в бой... с именем которой рождалась новая жизнь... именем которой менялся и становился лучше наш мир... Вот эту Любовь несла Золотая Мария. И именно этой Марии мне хотелось бы поклониться... За всё, что она несла, за её чистую светлую ЖИЗНЬ, за её смелость и мужество, и за Любовь.
Но, к сожалению, сделать это было невозможно... Она жила столетия назад. И я не могла быть той, кто её знал. Невероятно глубокая, светлая печаль вдруг захлестнула меня с головой, и горькие слёзы полились потоком...
– Ну что ты, мой друг!.. Тебя ждут другие печали! – удивлённо воскликнул Север. – Прошу тебя, успокойся...
Он ласково коснулся моей руки и постепенно печаль исчезла. Осталась только горечь, будто я потеряла что-то светлое и дорогое...
– Тебе нельзя расслабляться... Тебя ждёт война, Изидора.
– Скажи, Север, учение катаров называлось Учением Любви из-за Магдалины?
– Тут ты не совсем права, Изидора. Учением Любви его звали не посвящённые. Для тех же, кто понимал, оно несло совершенно иной смысл. Вслушайся в звучание слов, Изидора: любовь по-французски звучит – амор (amour) – не так ли? А теперь раздели это слово, отделив от него букву «а»... Получится а’мор (а"mort) – без смерти... Вот и получается истинное значение учения Магдалины – Учение Бессмертных. Как я уже раньше тебе говорил – всё просто, Изидора, если только правильно смотреть и слушать... Ну, а для тех, кто не слышит – пусть остаётся Ученьем Любви... оно ведь тоже красиво. Да и истины толика в этом всё же остаётся.
Я стояла совершенно остолбенев. Учение Бессмертных!.. Даария... Так вот, что являлось учением Радомира и Магдалины!.. Север удивлял меня множество раз, но никогда ещё я не чувствовала себя столь потрясённой!.. Учение катаров притягивало меня своей мощной, волшебной силой, и я не могла себе простить, что не говорила об этом с Севером раньше.
– Скажи, Север, осталось ли что-то от записей катар? Должно же было что-то сохраниться? Даже если не самих Совершенных, то хотя бы просто учеников? Я имею в виду что-то об их настоящей жизни и учении?
– К сожалению – нет, Изидора. Инквизиция уничтожила всё и везде. Её вассалы, по приказу Папы, посылались даже в другие страны, чтобы уничтожить каждую рукопись, каждый оставшийся кусочек бересты, какой только могли найти... Мы искали хоть что-нибудь, но ничего не смогли спасти.
– Ну, а сами люди? Не могло ли остаться что-то у людей, кто сохранял бы это через века?
– Не знаю, Изидора... Думаю, даже если кто-то и имел какую-то запись, то её изменили за время. Человеку ведь свойственно всё перекраивать по-своему... А уж особенно не понимая. Так что вряд ли что-либо сохранилось, как оно было. Жаль... Правда, у нас сохранились дневники Радомира и Магдалины, но это было до создания катар. Хотя, думаю, учение не изменилось.
– Прости, за мои сумбурные мысли и вопросы, Север. Вижу, что потеряла много, не придя к вам. Но всё же, я пока жива. А пока дышу, я ещё могу тебя спрашивать, не так ли? Расскажешь ли мне, как закончилась жизнь Светодара? Прости, за то, что прервала.
Север искренне улыбался. Ему нравилось моё нетерпение и жажда «успеть» узнать. И он с удовольствием продолжил.
После своего возвращения, Светодар жил и учил в Окситании всего два года, Изидора. Но эти годы стали самыми дорогими и счастливыми годами его скитальческой жизни. Его дни, освещённые весёлым смехом Белояра, проходили в любимом Монтсегуре, в окружении Совершенных, которым Светодар честно и искренне пытался передать то, чему долгие годы учил его далёкий Странник.
Они собирались в Храме Солнца, который удесятерял собой нужную им Живую Силу. А также защищал их от нежелательных «гостей», когда кто-то собирался туда тайно проникнуть, не желая появляться открыто.
Храмом Солнца называли специально построенную в Монтсегуре башню, которая в определённое время суток пропускала в окно прямые солнечные лучи, что делало Храм в тот миг истинно волшебным. А ещё эта башня концентрировала и усиливала энергию, что для работающих там в тот момент катар облегчало напряжение и не требовало слишком большой отдачи сил.

В скором времени произошёл непредвиденный и довольно таки забавный случай, после которого ближайшие Совершенные (а потом и остальные катары) начали называть Светодара «огненным». А началось это после того, как во время одного из обычных занятий Светодар, забывшись, полностью раскрыл перед ними свою высокую энергетическую Сущность... Как известно, все без исключения Совершенные были видящими. И появление пылающей огнём сущности Светодара вызвало настоящий шок у Совершенных... Посыпались тысячи вопросов, на многие из которых даже у самого Светодара не было ответов. Ответить мог, наверное, только Странник, но он был недосягаемым и далёким. Поэтому Светодар вынужден был как то объясняться с друзьями сам... Удалось ему это или нет – неизвестно. Только с того самого дня все катары начали называть его Огненным Учителем.

Термоэлектрические явления представляют собой отдельную тему в физике, в которой рассматривают, как температура может порождать электричество, а последнее вести к изменению температуры. Одним из первых открытых термоэлектрических явлений стал эффект Зеебека.

Предпосылки открытия эффекта

В 1797 году итальянский физик Алессандро Вольта, проводя исследования в области электричества, открыл одно из удивительных явлений: он обнаружил, что при контакте двух твердых материалов в области контакта появляется разность потенциалов. Она получила название контактной разности. Физически этот факт означает, что зона соприкосновения разнородных материалов обладает электродвижущей силой (ЭДС), способной привести к появлению тока в замкнутой цепи. Если теперь соединить в одну цепь два материала (сформировать два контакта между ними), то на каждом из них появится указанная ЭДС, которая будет одинакова по модулю, но противоположна по знаку. Последнее объясняет, почему не возникает никакого тока.

Причиной появления ЭДС является разный уровень Ферми (энергии валентных состояний электронов) в разных материалах. При соприкосновении последних уровень Ферми выравнивается (в одном материале понижается, в другом - повышается). Этот процесс происходит за счет перехода электронов через контакт, что и приводит к появлению ЭДС.

Сразу следует отметить, что величина ЭДС является незначительной (порядка нескольких десятых вольта).

Открытие Томаса Зеебека

Томас Зеебек (немецкий физик) в 1821 году, то есть спустя 24 года после обнаружения Вольтом контактной разности потенциалов, провел следующий опыт. Он соединил пластину висмута и меди, а рядом с ними расположил магнитную стрелку. В этом случае, как выше было сказано, никакого тока не возникало. Но стоило ученому поднести пламя горелки к одному из контактов двух металлов, как магнитная стрелка начала поворачиваться.

Теперь мы знаем, что причиной ее поворота стала сила Ампера, создаваемая проводником с током, но на то время Зеебек этого не знал, поэтому он ошибочно предположил, что возникает индуцированная намагниченность металлов в результате разницы температуры.

Правильное объяснения этому явлению было дано несколько лет позже датским физиком Хансом Эрстедом, который указал, что речь идет именно о термоэлектрическом процессе, и по замкнутой цепи идет ток. Тем не менее открытый Томасом Зеебеком термоэлектрический эффект в настоящее время носит его фамилию.

Физика происходящих процессов

Еще раз для закрепления материала: суть эффекта Зеебека заключается в индуцировании электрического тока в результате поддержания различной температуры двух контактов разных материалов, которые образуют замкнутую цепь.

Чтобы понять, что происходит в указанной системе, и почему в ней начинает бежать ток, следует познакомиться с тремя явлениями:

1. О первом уже было упомянуто - это возбуждение ЭДС в области контакта из-за выравнивания уровней Ферми. Энергия этого уровня в материалах изменяется при повышении или понижении температуры. Последний факт приведет к появлению тока, если замкнуть два контакта в цепь (условия равновесия в зоне соприкосновения металлов при разных температурах будут разными).
2. Процесс перемещения носителей заряда из горячих областей в холодные. Этот эффект можно понять, если вспомнить, что электроны в металлах и электроны и дырки в полупроводниках в первом приближении можно считать идеальным газом. Как известно, последний при нагревании в замкнутом объеме увеличивает давление. Иными словами, в зоне контакта, где температура выше, "давление" электронного (дырочного) газа тоже выше, поэтому носители заряда стремятся уйти в более холодные области материала, то есть к другому контакту.
3. Наконец, еще одно явление, которое приводит к появлению тока в эффекте Зеебека, это взаимодействие фононов (решеточных колебаний) с носителями заряда. Ситуация выглядит таким образом, будто фонон, двигаясь от горячего спая к холодному, "ударяет" об электрон (дырку) и сообщает ему дополнительную энергию.

Отмеченные три процесса в итоге определяют возникновение тока в описанной системе.

Как описывают это термоэлектрическое явление?

Очень просто, для этого вводят некий параметр S, который получил название коэффициента Зеебека. Параметр показывает, ЭДС величины индуцируется, если поддерживается разность температур контактов равная 1 Кельвину (градусу Цельсия). То есть можно записать:

Здесь ΔV - ЭДС цепи (напряжение), ΔT - разность температур горячего и холодного спаев (зон контакта). Эта формула является лишь приближенно верной, поскольку S в общем случае зависит от температуры.

Значения коэффициента Зеебека зависят от природы материалов, вступивших в контакт. Тем не менее однозначно можно сказать, что для металлических материалов эти значения равны единицам и десяткам мкВ/К, в то время как для полупроводников они составляют сотни мкВ/К, то есть полупроводники обладают на порядок большей термоэлектрической силой, чем металлы. Причиной этого факта является более сильная зависимость характеристик полупроводников от температуры (проводимость, концентрация носителей заряда).

КПД процесса

Удивительный факт перевода теплоты в электричество открывает большие возможности для применения этого явления. Тем не менее для его технологического использования важна не только сама идея, но и количественные характеристики. Во-первых, как было показано, возникающая ЭДС является достаточно маленькой. Эту проблему можно обойти, если использовать последовательное соединение большого числа проводников (что и делается в ячейке Пельтье, речь о которой пойдет ниже).

Во-вторых, это вопрос эффективности генерации термоэлектричества. И этот вопрос остается открытым по сей день. КПД эффекта Зеебека является чрезвычайно низким (порядка 10 %). То есть из всего затраченного тепла лишь одну десятую его можно будет использовать для совершения полезной работы. Многие лаборатории во всем мире стараются поднять этот КПД, что можно сделать, разработав материалы нового поколения, например, с помощью нанотехнологий.

Использование эффекта, открытого Зеебеком

Несмотря на низкий КПД, он все же находит свое применение. Ниже перечислим основные из областей:

• Термопара. Эффект Зеебека с успехом используют для измерения температур разных объектов. По сути, система из двух контактов - это и есть термопара. Если известен ее коэффициент S и температура одного из концов, то, измеряя напряжение, которое возникает в цепи, можно вычислить температуру другого конца. Термопары также применяют для измерения плотности лучистой (электромагнитной) энергии.
• Генерация электричества на космических зондах. Запускаемые человеком зонды для исследования нашей Солнечной системы или космоса за ее пределами используют эффект Зеебека для питания электроники, находящейся на их борту. Осуществляется это благодаря радиационному термоэлектрическому генератору.
• Применение эффекта Зеебека в современных автомобилях. Компании BMW и Volkswagen заявили о появлении в их автомобилях термоэлектрических генераторов, которые будут использовать тепло газов, выбрасываемых из выхлопной трубы.

Другие термоэлектрические эффекты

Существуют три термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье, Томсона. Суть первого уже была рассмотрена. Что касается эффекта Пельтье, то он заключается в нагревании одного контакта и охлаждении другого, если рассмотренную выше цепь подсоединить к внешнему источнику тока. То есть эффекты Зеебека и Пельтье являются противоположными.

Эффект Томсона имеет ту же природу, однако он рассматривается на одном материале. Его суть состоит в выделении или поглощении тепла проводником, по которому течет ток и концы которого поддерживаются при разных температурах.

Когда говорят о петентах на термо генераторные модули с эффектом Зеебека, то, конечно же, первым делом вспоминают про ячейку Пельтье. Она представляет собой компактное устройство (4x4x0,4 см), изготовленное из ряда последовательно соединенных проводников n- и p-типа. Изготовить ее можно своими руками. Эффекты Зеебека и Пельтье лежат в основе ее работы. Напряжения и токи, с которыми она работает, невелики (3-5 В и 0,5 A). Как было сказано выше, КПД ее работы очень маленький (≈10 %).

Применяется она для решения таких бытовых задач, как нагрев или охлаждение воды в кружке или подзарядка мобильного телефона.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

Факультет фундаментальной и прикладной информатики

Кафедра ЗИ и СС

полное название кафедры

Направление подготовки (специальность)

Средства связи с подвижными объектами, 210402

шифр и название направления (подготовки),специальности

о преддипломной практике

вид практики

на кафедре ЗИ и СС

название предприятия, организации, учреждения

студента (слушателя) 5 курса, группы ТК – 91

курса, группы

Калабина Дмитрия Аналольевича

фамилия, имя, отчество

Руководитель практики от М.П.

предприятия, организации,

учреждения

д.т.н. Мухин Иван Ефимович

должность, фамилия, и. о.

подпись, дата Оценка

Руководитель практики от

университета

Севрюков Александр Евгеньевич

должность, фамилия, и. о.

подпись, дата Оценка

Введение..................................................................................................................3

1 Термоэлектрические источники альтернативного электропитания................4

1.1 История открытия эффекта Зеебека............................................................4

1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение........ ...............................8

1.3 Обзор современных применений термоэлектрического преобразования...................... ............................................................................11

1.4 Термоэлектрические генераторные сборки и устройства..........................................................................................................14

1.5 Термоэлектричество в быту.......................................................................16

1.6 Измерение тепловых потоков (тепломеры)..............................................18

1.6.1 Применение ТГМ для питания маломощных устройств при малых тепловых потоках (Energy Harvesting)............................................................18

1.7 Основные формулы и соотношения для определения параметров ТЭГ. .............................................................................................................................21

1.7.1 Основные параметры ТГМ................................................................23

1.7.2 Варианты исполнения ТГМ..............................................................26

1.8 Результаты испытаний на малых перепадах температур.........................................................................................................29

1.8.2Установка генераторных модулей.....................................................33

Введение

С увеличение сложности летательных аппаратов возникает необходимость объективного контроля в реальном масштабе времени до не скольких тысяч параметров в зависимости от сложности летательного аппарата. В связи с этим была разработана 101 поправка ИКАО от 14 ноября 2013года, которая определяет систему управления безопасности полетов в РФ для летательных аппаратов. Один из основных аспектов данного документа – это мониторинг технического состояния основных узлов и агрегатов летательных аппаратов.

Большое количество датчиков вызывает противоречие между ограничениями на массо-габаритные показатели и энергопотребление датчиков контроля состояния и между их техническими возможностями (чем больше датчиков, тем больше масса питающих и сигнальных проводов и потребляемая мощность от бортового генератора). Разрешением этого противоречия является применение принципиально нового подхода для организации питания датчиков и передачи информации на интегрированный пункт сбора информации датчиков. Для этого могут применяться в качестве источников питания элементы Зеебека, а для передачи информации на центральный пункт сбора – беспроводные системы связи.

Физической основой получения электрической мощности от элементов Зеебека является перепад температур между температурой внутри борта летательного аппарата и на его поверхности.

1 Термоэлектрические источники альтернативного электропитания

1.1 История открытия эффекта Зеебека

Днем рождения термоэлектричества можно считать 14 декабря 1820 г. В этот день на заседании Берлинской академии наук академик Томас Иоганн Зеебек впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которых нагревался (рисунок 1). Томас Зеебек называл этот эффект «термомагнетизмом». Позже, в 1822 г., в докладах Прусской академии наук был опубликован научный труд Томаса Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Рисунок 1 – Иллюстрация к опыту, демонстрирующему эффект Зеебека

В своих опытах Томас Зеебек использовал контакт двух различных материалов (конструктивно выполненных в виде проволоки, пластин и/или стержней) из различных металлов, в частности из меди, висмута и сурьмы.

Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека» (рисунок 1), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых (обозначенные на рисунке 1 m-p и n- o) находились при разных температурах, магнитная стрелка (а), помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала. В результате Зеебек наблюдал возникновение магнитного поля, которое фиксировалось по отклонению магнитной стрелки. Угол и направление поворота магнитной стрелки зависели от значения разности температур на спаях цепи и сочетания материалов, из которых была составлена цепь.

Эффективность термоэлектрического преобразования теплового потока в электрическую энергию для наилучшего сочетания значений термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) рядов пар материалов, составленных самим первооткрывателем этого эффекта Томасом Зеебеком, могла достичь 2–3%, что значительно превосходило КПД паровых машин того времени. Неизвестно, каким путем пошло бы развитие энергетики, будь больше внимания уделено термоэлектричеству в те годы.

Сегодня термоэлектричество наверстывает незаслуженное вековое забвение в энергетике. Это ускоренное движение началось совсем недавно - в 30‑е годы прошлого века благодаря работам А. Ф. Иоффе. Именно в эти годы была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики. Одним из первых выдающихся практических применений термоэлектрических полупроводниковых генераторов стал легендарный в тяжелые годы Великой Отечественной войны «Партизанский котелок» (ТГ-1, 1942 г.). Это устройство позволяло обеспечивать электрической энергией мощностью 2–4 Вт питание радиостанций партизанских отрядов и заменило труднодоступные и обладавшие в те времена малой емкостью гальванические батареи. Для получения электрической энергии было достаточно разности температур 250…300 °С над огнем костра при стабилизации температуры холодных спаев кипящей водой. Мировым термоэлектрическим сообществом общепризнан приоритет практического применения эффекта прямого преобразования тепловой энергии в электрическую за Советской Россией.

Для упрощения понимания используемых в последующих разделах обозначений и сокращений в таблице 1 приводится их единый перечень.

Таблица 1 – Список принятых обозначений и сокращений

Принятые обозначения	Расшифровка	Единица измерения
	Коэффициент Зеебека (коэффициент термоЭДС)
	Число пар термоэлектрических элементов в модуле
	Высота термоэлектрического элемента
	Сторона поперечного сечения элемента
T h	Температура горячего (hot) спая модуля
T с	Температура холодного (cold) спая модуля
	Разность температур
R н	Электрическое сопротивление нагрузки
Q h	Энергия теплового потока, подаваемого на модуль (hot)
R h	Тепловое сопротивлеение между нагреваемой стороной ТГМ и источником теплоты с заданной температурой
Q c	Энергия теплового потока, отводимого с модуля (cold)
R c	Тепловое сопротивление между охлаждаемой стороной и окружающей средой
	Напряжение на выходе модуля при Rн = R
	Электрический ток через нагрузку при Rн = R
	Электрическая мощность в нагрузке при Rн = R
	Коэффициент полезного действия (эффективность) модуля
	Отношение сопротивлений нагрузки и модуля
	Внутреннее электрическое сопротивление модуля при рабочих температурах
R (22 °С)	Внутреннее электрическое сопротивление модуля в нормальных условиях
R t (22 °С)	Тепловое сопротивление модуля, измеренное при указанной температуре
	Термоэлектрический генераторный модуль
	Термоэлектрический генератор
	Термоэлектрический элемент

1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение

Как уже было отмечено, в основе термоэлектрической генерации лежит эффект Зеебека - термоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС E тэдс прямо пропорционально коэффициенту Зеебека α и разнице температур ΔT между горячей T h и холодной T c сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа

Представленная конструкция термопары состоит из разнородных полупроводниковых термоэлементов n- и p- типа, соединенных между собой на одной стороне, другие два свободных конца подключаются к нагрузке R н . Если температура места контакта отлична от температуры свободных концов, то по такой цепи пойдет ток, а на нагрузке будет выделяться полезная мощность. Величину термоЭДС можно определить по формуле:

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 – Чертеж термоэлектрического генераторного модуля

Рисунок 4 – Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе

Конструктивное исполнение стандартного генераторного модуля мало чем отличается от холодильных термоэлектрических модулей. Между двух керамических пластин смонтированы электрически последовательно, а по тепловому потоку - параллельно термоэлектрические элементы n- и p- типа. Модуль имеет ширину А, длину В и высоту Н (рисунок 3). Как правило, модуль поставляется с напаянными проводами.

1.3 Обзор современных применений термоэлектрического преобразования

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь - электрической. Основное требование - увеличить объем ее выработки, но в последнее время на передний план выходят дополнительные условия: энергия должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики, в которой особенно остро нуждаются Европа и США. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В таком преобразовании отсутствует промежуточное звено, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую.

За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.

Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях - это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.) Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации.

ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии выделяется на промышленных объектах и оборудовании при температуре поверхностей до 300 °С (рисунок 5).

Рисунок 5 – Распределение температур поверхностей промышленных агрегатов

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно. Совсем недавно практическое применение получили устройства, утилизирующие энергию тепловых потоков при перепаде температур менее 10 К.

До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остается относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теплового потока в электрическую энергию - от 3 до 8%. Однако в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести обычные линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым. Сферы таких применений крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, а также питания оборудования газои нефтепроводов, морских навигационных систем и до бытовых генераторных устройств, например, в составе дровяной топочноварочной печи, печи для сауны, камина и отопительного котла. Приведем еще несколько примеров практического применения ТЭГ:

а) использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;

б) автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;

в) источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;

г) преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;

д) обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи;

е) измерение тепловых потоков (тепломеры);

ж) обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);

и) получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.

1.4 Термоэлектрические генераторные сборки и устройства

Автономные источники электрической энергии на основе термоэлектрических генераторных модулей нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Мощность, вырабатываемая такими генераторами, составляет от единиц милливатт до единиц киловатт и определяется в конечном итоге экономической целесообразностью выбора этого способа преобразования энергии. Источником тепловой энергии может быть любая энергия, получаемая при сжигании природного газа, дров, угля, пеллет и др.

Термоэлектрическая генераторная сборка в минимальной (упрощенной) конфигурации состоит из металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающую среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур (рисунок 8). Вся конструкция скрепляется вместе тем или иным способом, чаще всего с помощью резьбовых соединений. В одну сборку могут быть установлены несколько модулей. Энергия от нескольких сборок может складываться при соответствующем подключении. Благодаря своей простоте конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет при правильной эксплуатации).

В настоящее время наиболее широкое применение нашли два типа термоэлектрических генераторов: ТЭГ, работающий от природного газа и предназначенный для промышленного применения в газо- и нефтедобывающих отраслях, и ТЭГ, работающий от горения дров и иных широкодоступных видов топлива и предназначенный для решения задач обеспечения энергией садоводов, охотников, строителей и подразделений МЧС при отсутствии штатного электричества.

В ТЭГ для газо- и нефтедобывающей промышленности применяют тепло от сжигания природного газа для его преобразования в электрическую энергию. Такие промышленные генераторы предназначены для питания аппаратуры дистанционного телеуправления, телеметрии, автоматики и систем беспроводной передачи данных. В настоящее время линейка выпускаемых компанией «Криотерм» генераторов обеспечивает возможность получения электрической мощности от 6 до 80 Вт с одного генератора.

1.5 Термоэлектричество в быту

Идея использования термоэлектрической генерации электрической энергии интересует многих инженеров. Первым применением ТЭГ в быту можно по праву считать генератор, разработанный и освоенный в серийном производстве в конце 1940‑х годов. Он был предназначен для питания лампового приемника «Родина» (вырабатываемая мощность - порядка 2 Вт) и работал от тепла керосиновой лампы. Сейчас компания «Криотерм» выпускает в промышленных масштабах широкий спектр термоэлектрических генераторных модулей, позволяющих получать электрическую мощность, достаточную для питания маломощных нагрузок в течение протапливания печи, камина или даже мангала. В таблице 2 приведен ряд современных бытовых применений ТЭГ.

Таблица 2 – Применение термоэлектричества в быту

Бытовой прибор	Дополнительные возможности
Печи для отапливания помещения	Освещение помещения безопасным напряжением 12 В; зарядка аккумуляторов бытовых приборов; обеспечение ускоренной циркуляции воздуха за счет применения вентиляторов; питание ЖК-телевизора и другой радиоаппаратуры; зарядка аккумулятора для использования энергии после окончания протопки
	Независимое питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха по дому; питание автономной подсветки
Печи для саун	Питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха; питание освещения и маломощных приборов безопасным напряжением 12 В; зарядка аккумулятора для питания устройств после протопки
Мангалы, жаровни, барбекю	Питание подсветки; питание системы регулирования температуры жарки; питание моторчика вращения шампура
Душевые кабины	Питание автономной подсветки; питание встроенного радиоприемника
Отопительные котлы	Питание циркуляционного насоса; питание маломощных бытовых устройств
Солнечные концентраторы тепловой энергии	Получение электрической энергии для питания систем телеметрии, автоматики, циркуляции теплоносителя и др.

Одним из наиболее ярких примеров применения термоэлектрических генераторов в бытовой технике являются нашедшие в настоящее время широкое распространение термоэлектрические генераторы ТЭГ В25-12 компании «Криотерм», вырабатывающие 25 Вт электрической мощности при обеспечении температуры на нагреваемой поверхности от 300 до 400 °C. Генератор надежен и неприхотлив в эксплуатации. Два генератора, установленные на небольшую отопительную дровяную печь, обеспечивают зарядку встроенного аккумулятора при совместной работе со встроенным контроллером заряда и выдают суммарно 50 Вт электрической энергии в период горения дров.

1.6 Измерение тепловых потоков (тепломеры)

Термоэлектрические модули широко используются в качестве измерителей плотности теплового потока, для измерения и контроля тепловых режимов двигателей, различных приборов и механизмов, для определения тепловых потерь, коэффициента теплопроводности, для получения информации о характере тепловыделений биологических объектов, для дозиметрии, контроля и автоматизации технологических процессов. Принцип действия термоэлектрического модуля в качестве тепломера основан на широко известном методе вспомогательной стенки: на пути регистрируемого теплового потока располагается «стенка» - образец с известным значением коэффициента теплопроводности. В термоэлектрическом модуле роль стенки исполняют ветви полупроводникового вещества. При этом уникальное преимущество термоэлектрического модуля заключается в том, что не требуется никаких дополнительных средств для измерения перепада температур: он определяется непосредственно по напряжению, генерируемому термоэлектрическим модулем. Режим работы ТЭМ в качестве тепломера - это частный случай режима генерации (при бесконечном сопротивлении нагрузки).

Описание

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой .

Величина возникающей термоэдс в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего () и холодного () контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур:

где - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

Величина термоэдс составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд , а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС .

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов , равная

, где - энергия Ферми, - заряд электрона .

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах - от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом - против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС .

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов , движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами .

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Ссылки

Примечания

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эффект Зеебека" в других словарях:

- (термоэлектрический эффект), в ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ, образование ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) в цепи, состоящей из двух различных металлов или полупроводников, соединенных в петлю, два контакта между которыми поддерживаются при разных температурах.… … Научно-технический энциклопедический словарь

эффект Зеебека - термоэлектрический эффект — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы термоэлектрический эффект EN… … Справочник технического переводчика

эффект Зеебека - термоэлектрический эффект Зеебека; эффект Зеебека Возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников при различных температурах контактов. термоэлектрический эффект; эффект… … Политехнический терминологический толковый словарь

эффект Зеебека - termoelektrinis efektas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovės atsiradimas uždaroje grandinėje, sudarytoje iš skirtingų metalų pašildžius jų kontakto vietą. atitikmenys: angl. Seebeck effect; thermoelectric effect rus.… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

эффект Зеебека - Seebeck o reiškinys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet Seebeck, m ryšiai: sinonimas – Zėbeko reiškinys … Automatikos terminų žodynas

эффект Зеебека - Zėbeko reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet de Seebeck, m … Fizikos terminų žodynas

эффект Зеебека - Zėbeko efektas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reiškinys, kai uždaroje elektrinėje grandinėje, iš nuosekliai sujungtų dviejų laidininkų, kurių lietimosi vietų temperatūra nevienoda, susidaro termoelektrovara ir teka elektros srovė.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

эффект Зеебека - явление возникновения электродвижущей силы в электрическом контуре, состоящем из разных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры; открыт в 1821 г. немецким физиком Т. Зеебеком. Электродвижущая сила,… … Энциклопедический словарь по металлургии

Эффект Зеебека - холод. техн. Возникновение электродвижущей силы за счет разности температур двух спаев различных металлов или сплавов … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого

- (англ. Spin Seebeck effect) физический эффект, в котором градиент температуры вдоль ферромагнитного проводника создаёт ненулевой потенциал спинового тока, где электрохимические потенциалы для электронов с основным и неосновным… … Википедия

В 1821 году физик Т. Зеебек (1770-1831), родившийся в Эстонии, а учившийся в Германии, изучая тепловые эффекты в гальванических устройствах, соединил полукруглые элементы, изготовленные из висмута и меди . Неожиданно стрел­ка компаса, случайно лежавшего рядом, отклонилась (рис. 3.34А). Он проверил этот эффект на других соединениях металлов при разных температурах и обнару­жил, что каждый раз получается различная напряженность магнитного поля. Од­нако, Зеебек не догадался, что при этом через элементы течет электрический ток, поэтому назвал это явление термомагнетизмом .

Если взять проводник, и один его конец поместить в холодное место, а дру­гой - в теплое, от теплого участка к холодному будет передаваться тепловая энер­гия. Интенсивность теплового потока при этом пропорциональна теплопровод­ности проводника. В дополнение к этому градиент температур приводит к появ­лению в проводнике электрического поля, обусловлено эффектом Томсона (В. Томпсон открыл этот эффект приблизительно в 1850 году. Он заключается в по­глощении или высвобождении тепла линейно пропорционально току, проходя­щего через однородный проводник, имеющий градиент температуры вдоль его длины. При этом тепло поглощается, если ток и тепловой поток направлены в противоположных направлениях, и выделяется - когда они имеют одинаковое направление). Индуцированное электрическое поле приводит к появлению раз­ности потенциалов:

где dT - градиент температуры на небольшом участке длины dx, α а - абсолют­ный коэффициент Зеебека материала . Если материал однородный, а а не зави­сит от его длины, и уравнение (3.87) принимает вид:

Уравнение (3.88) является основным математическим выражением для термоэлек­трического эффекта. На рис. 3.34Б показан проводник с неравномерным распре-

3.9 Эффекты Зеебека и Пельтье

делением температуры Г вдоль его длины х. Градиент температуры между произ­вольно расположенными точками определяет термо э.д.с между ними. Другие зна­чения температур (например, T 3 T 4 и Т 5) не влияют на значение э.д.с. между точ­ками 1 и 2. Для измерения э.д.с. вольтметр подсоединяется к проводнику, как по­казано на рис. 3.34 Б. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Для измерения термо э.д.с. надо соответствующим образом подключить щупы вольтметра. Однако щупы вольтметра часто изготовлены из проводников, отли­чающихся от исследуемого проводника. Рассмотрим простой контур для измере­ния термо э.д.с. (рис. 3.35 А). В таком контуре измеритель включается последова­тельно с проводником. Если контур выполнен из одинакового материала, то тока в цепи не будет, даже при неравномерной температуре вдоль его длины. Посколь­ку в этом случае две половины контура создадут токи равной величины, но про­тивоположного направления, которые взаимно уничтожат друг друга. Термо э.д.с. возникает в любом проводнике с неравномерной температурой, но ее часто не­возможно измерить напрямую.

соединение

соединение

Рис. 3.34. А - опыт Зеебека, Б - переменная температура вдоль проводника яв­ляется причиной возникновения термо э.д.с

Рис. 3.35. Термоэлектри­ческий контур: А - соеди­нение идентичных метал­лов не приводит к появле­нию тока при любой раз­ности температур, Б - со­единение разных метал­лов индуцирует ток А/.

Для исследования термоэлектричества необходимо иметь контур, составленный из jx&yx разных материалов (или из одинаковых материалов, но находящихся при раз­личных условиях, например, один - в напряженном состоянии, а другой нет).

Только тогда возможно определить разницу их термоэлектрических свойств. На рис. 3.35Б показан контур, состоящий из двух различных металлов, в котором возникает разность токов: . Величина Δi зависит от многих факторов, включая форму и размер проводников. Если вместо тока измерять напряжение на разомкнутом проводнике, разность потенциалов будет определяться только ти­пом материалов и их температурой и не будет зависеть ни от каких других факто­ров. Индуцированная теплом разность потенциалов называется напряжением Зе-ебека.

Что происходит, когда два проводника соединяются друг с другом? Свободные электроны в металле ведут себя как идеальный газ. Кинетическая энергия электро­нов определяется температурой материала. Однако в разных металлах энергия и плот­ность свободных электронов не являются одинаковыми. Когда два разных материа­ла, находящихся при равной температуре, соприкасаются друг с другом, свободные электроны за счет диффузии перемещаются через место соединения . Электри­ческий потенциал материала, принявшего электроны, становится более отрицатель­ным, а материал, отдавший электроны, - более положительным. Разные концентра­ции электронов с двух сторон соединения формируют электрическое поле, уравно­вешивающее процесс диффузии, в результате чего устанавливается некоторое равно­весие. Если контур является замкнутым, и оба соединения находятся при одинако­вой температуре, электрические поля около них взаимно уничтожаются, чего не про­исходит, когда места соединений имеют разную температуру.

Последующие исследования показали , что эффект Зеебека является элек­трическим по своей природе. Можно утверждать, что термоэлектрические свой­ства проводников - это такие же объемные свойства материалов, как электро- и теплопроводность, а коэффициент α а - уникальная характеристика материала. При комбинировании двух разных материалов (А и В) всегда требуется опреде­лять напряжение Зеебека. Это можно сделать при помощи дифференциального ко­эффициента Зеебека:

Тогда напряжение на соединении равно:

dV AB = α AB UT. (3.90)

Уравнение (3.90) иногда применяется для определения дифференциального коэффициента:

Например, функцию напряжения от градиента температуры для термопары Т-типа можно с достаточной степенью точности аппроксимировать при помощи уравнения второго порядка:

Тогда выражение для дифференциального коэффициента Зеебека принимает сле­дующий вид:

3 9 Эффекты Зеебека и Пельтье I I 3

Из уравнения видно, что коэффициент является линейной функцией от темпера­туры. Иногда он называется чувствительностью термопарного соединения. Эта­лонное соединение, которое, как правило, находится при более холодной темпе­ратуре, называется холодным спаем, а второе соединение - горячим спаем. Коэф­фициент Зеебека не зависит от физической природы соединения: металлы могут быть скручены, сварены, спаяны и т.д. Имеет значение только температура спаев и свойства металлов. Эффект Зеебека является прямым преобразованием тепло­вой энергии в электрическую.

В Приложении приведены значения термоэлектрических коэффициентов и объемных удельных сопротивлений для некоторых типов материалов. Из соот­ветствующей таблицы видно, что наилучшая чувствительность получается при со­единении двух металлов, имеющих противоположные знаки коэффициентов а при их максимально возможных значениях.

В 1826 году А. Беккерель предложил использовать эффект Зеебека для измере­
ния температуры. Однако первая конструкция термопары была разработана Генри
Ле-Шателье почти шестьюдесятью годами позже . Ему удалось обнаружить, что
соединение проводов из платины и сплава платины и родия позволяет получить
наибольшее термонапряжение. Ле-Шателье изучил и описал термоэлектрические
свойства многих комбинаций металлов. Полученные им данные до сих пор исполь­
зуются при проведении температурных измерений. В Приложении приведены зна­
чения чувствительности некоторых наи-
более распространенных типов термо­
пар, соответствующие температуре 25°С,
а на рис. 3.36 показаны напряжения Зе­
ебека для стандартных термопар в ши­
роком температурном диапазоне. Следу­
ет отметить, что термоэлектрическая
чувствительность не является постоян­
ной во всем интервале температур, и тер­
мопары обычно сравниваются при 0°С.
Эффект Зеебека также используется в
термоэлементах, которые, по существу,
представляют собой несколько последо­
вательно соединенных термопар. В на­
стоящее время термоэлементы часто
применяются для детектирования тепло­
вых излучений (раздел 14.6.2 главы 14).
Первые термоэлементы, изготовленные из проводов, были разработаны Джейм­
сом Джоулем (1818-1889) для увеличениявыходного напряжения измерительного
устройства.

В настоящее время эффект Зеебе­ ка применяется в интегрированных дат­чиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверх­ность полупроводниковых подложек. Примером таких датчиков является тер­моэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний облада­ет достаточно большим коэффициен­том Зеебека, на его основе изготавли-

ваются высокочувствительные термоэлектрические детекторы. Эффект Зеебека связан с температурной зависимостью энергии Ферми Е р поэтому коэффициент Зеебека для кремния n-типа можно аппроксимировать функцией от электричес­кого удельного сопротивления в интересующем температурном диапазоне (для датчиков при комнатной температуре):

где р 0 ≈5х10 -6 Омхм и т≈2.5 являются константами, к - постоянная Больцмана, a q - электрический заряд. При помощи легирующих добавок получают материалы с коэффициентами Зеебека порядка 0.3...0.6 мВ/К. В Приложении приведены зна­чения коэффициентов Зеебека для некоторых металлов и кремния. Из соответ­ствующей таблицы видно, что коэффициенты Зеебека для металлов гораздо мень­ше, чем для кремния, и что влияние алюминиевых выводов на микросхемы не­значительное из-за высокого значения коэффициента Зеебека для кремния.

В начале девятнадцатого века французский часовщик, в последствии став­ший физиком, Жан Шарль Атанас Пельтье (1785-1845) обнаружил, что при про­хождении электрического тока из одного материала в другой, в месте их соедине­ния происходит либо выделение, либо поглощение тепла , что зависит от на­правления тока:

где i - сила тока, a t - время. Коэффициент р имеет размерность напряжения и определяется термоэлектрическими свойствами материала. Следует отметить, что количество тепла не зависит от температуры других соединений.

Эффект Пельтье - это выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через соединение двух различных металлов. Это явление ха­рактерно и для случаев, когда ток поступает от внешних источников, и когда он индуцируется в спае термопары из-за эффекта Зеебека.

Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что осуществляется изменением на­правления тока. Это свойство нашло свое применение в устройствах, где требуется осу­ществлять прецизионный контроль за температурой. Считается, что эффекты Пель­тье и Зеебека имеют одинаковую природу. Однако следует хорошо понимать, что тепло

Пелътье и Джоуля отличаются друг от друга. Тепло Пельтье в отличие от джоулева тепла линейно зависит от силы тока. (Тепло Джоуля выделяется при прохождении электри­ческого тока любого направления через проводник, имеющий конечное сопротивле­ние. Высвобождаемая при этом тепловая энергия пропорциональна квадрату тока: Р = i 2 /R, где R - сопротивление проводника). Величина и направленность тепловой энер­гии Пельтье не зависит от физической природы соединения двух различных материа­лов, а полностью определяется их объемными термоэлектрическими свойствами. Эф­фект Пельтье используется для построения термоэлектрических охладителей, приме­няемых для снижения температуры детекторов фотонов, работающих в дальнем ИК диапазоне спектра (раздел 14.5 главы 14), а также охлаждаемых зеркальных гигромет­ров (раздел 13.6 главы 13).

Необходимо помнить, что в любом месте схемы, где соединяются два или бо­лее различных металла, имеющих разную температуру, всегда возникает термо­электрический ток. Эта разность температур всегда сопровождается явлением теп­лопроводности Фурье, а при прохождении электрического тока вьщеляется тепло Джоуля. В то же самое время протекание электрического тока всегда связано с эффектом Пельтье: выделением или поглощением тепла в местах соединения раз­личных металлов, при этом разность температур также вызывает появление эф­фекта Томпсона: нагрев или охлаждение проводников вдоль их длины. Эти два тепловых эффекта (Томпсона и Пельтье) выражаются в виде четырех составляю­щих в выражении для э.д.с. Зеебека:

где σ+- - величина, называемая коэффициентом Томпсона, которую сам Томсон называл удельной теплоемкостью электричества, проводя аналогию между а и обычной удельной теплоемкостью с, принятой в термодинамике. Величина о по­казывает с какой скоростью происходит выделение или высвобождение тепла на единицу разности температур и на единицу массы .

Звуковые волны

Звуковыми волнами называются периодические сжатия и расширения среды (твердых тел, жидкостей и газов), происходящие с определенной частотой. Ком­поненты среды совершают колебательные движения в направлении распростра­нения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими вол­нами. Название звуковые связано с диапазоном восприятия человеческого слуха, который приблизительно составляет интервал 20...20000 Гц. Продольные механи­ческие волны ниже 20 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20 кГц - ультразву­ковыми. Если бы классификация волн велась бы относительно других животных, например, собак, диапазон звуковых волн был бы значительно шире.

Детектирование инфразвуковых волн применяется при исследовании строи­тельных конструкций, предсказании землетрясений и изучении других объектов, обладающих большими геометрическими размерами. Люди ощущают инфразву-ковые волны большой амплитуды, даже если их не слышат, при этом у них появ-

Глава 3. Физические приципы датчиков

ляются такие психологические явления, как паника, страх и т.д. Примерами волн звукового диапазона являются колебания струн (струнные музыкальные инстру­менты), вибрации столба воздуха (духовые музыкальные инструменты), звучание пластин (некоторые ударные инструменты, голосовые связки, громкоговоритель). Какова бы ни была природа возникновения звуков, всегда происходит поперемен­ное сжатие и разрежение воздуха, при этом волны распространяются во все сторо­ны. Спектр звуковых волн может быть весьма различным: от простых однотонных звуков метронома и трубы органа до богатых мелодий скрипки. Шум, как правило, обладает очень широким спектром. Он может иметь равномерное распределение плотности или присутствовать только на частотах определенных гармоник.

На стадии сжатия среды ее объем изменяется от V до V-ΔV. Отношение изме­нения давления Δр к относительному изменению объема называется объемным модулем упругости среды:

где р 0 - плотность вне зоны сжатия, a v - скорость звука в среде. Отсюда ско­рость звука определяется следующим образом:

Следовательно, скорость звука зависит от упругости (В) и инерционных свойств среды (р 0). Поскольку обе переменные являются функциями от температуры, ско­рость звука также зависит от температуры. Это свойство положено в основу акусти­ческих термометров (раздел 16.5 главы 16). Для твердых тел продольная скорость может быть определена через модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона W:

В Приложении приведены скорости распространения продольных волн в неко­торых средах. Следует отметить, что скорость звука зависит от температуры, что всегда должно учитываться при разработке конкретных датчиков.

Рассмотрим распространение звуковой волны в трубе органа, где каждый маленький объемный элемент воздуха совершает колебательные движения вок­руг состояния равновесия. Для чистой гармоники смещение элементарного объема относительно состояния равновесия можно описать следующим выражением:

где х - положение равновесия, у - смещение от положения равновесия, у т - амп­литуда, а λ - длина волны. На практике бывает более удобно рассматривать изме­нение давления в звуковой волне:

3 10 Звуковые волны

где к=2π/λ - порядок волны, ω - угловая частота, а члены в первой круглой скоб­ке соответствуют амплитуде р т звукового давления Следует отметить, что sin и cos в уравнениях (3 100) и (3 101) указывают на то, что фазы волн смещения и давления различаются на 90°

Давление в любой заданной точке среды не является постоянным Разность между мгновенным и средним значениями давления называется акустическим давлением Р Во время распространения волны вибрирующие частицы воздуха со­вершают колебательные движения вокруг положения равновесия с мгновенной скоростью ξ, Отношение акустического давления и мгновенной скорости (не пу­тать со скоростью волны 1) называется акустическим импедансом

который является комплексной величиной, характеризующейся амплитудой и фазой Для идеальной среды (в которой нет потерь), Z - действительное число, связанное со скоростью волны соотношением

Интенсивность / звуковой волны определяется как мощность, переданная через единичную площадь Также ее можно выразить через величину акустического импеданса

Однако на практике звук чаще характеризуется не интенсивностью, а парамет­ром β, называемым уровнем звука, определенным относительно стандартной ин­тенсивности I 0 = 10 12 Вт/м 2

Такая величина I 0 выбрана потому, что она соответствует нижней фанице слуха человеческого уха Единицей измерения р является децибел (дБ), названный в честь Александра Белла При I=I 0 , β=0

Уровни давления также могут быть выражены через децибелы

Где P 0 =2х10 5 Н/м 2 (0 0002 мкбар)=2 9x10 9 psi

В таблице 3 3 приведены уровни некоторых звуков Поскольку человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки разных частот, уровни звука обычно приводят­ся для интенсивности I 0 соответствующей частоте 1 кГц, где чувствительность слу­ха максимальна

Таблица 3.3. Уровни звуков β при I 0 ,соответствующей 1000 Гц

Источник звука	дБ
Ракетный двигатель на расстоянии 50 м
Переход звукового барьера
Гидравлический пресс на расстоянии 1 м
Болевой порог
1О-Вт Hi-Fi громкоговоритель на расстоянии 3 м	ПО
Мотоцикл без глушителя
Рок-н-рол
Поезд метрополитена на расстоянии 5 м
Пневматическая дрель на расстоянии 3 м
Ниагарский водопад
Загруженная автодорога
Автомобиль на расстоянии 5 м
Посудомоечная машина
Разговор на расстоянии 1 м
Расчетное бюро
Городская улица (без транспорта)
Шепот на расстоянии 1 м
Шелест листьев
Слуховой порог