Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона
Работа термоэлектрических холодильных машин и генераторов базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.
Термоэлектрические свойства проводников обусловлены связями между тепловыми и электрическими потоками:
- эффект Зеебека — возникновение термо-ЭДС в цепи неоднородных проводников, при различных температурах ее участков ;
- эффект Пельтье — поглощение или выделение тепла на контакте двух различных проводников при пропускании через них постоянного электрического тока ;
- эффект Томсона — поглощение или выделение тепла (сверхджоулевого) в объеме проводника при пропускании через нега пост, электрического тока при наличии градиента температур.
Эффект Зеебека, Пельтье и Томпсона относятся к числу кинетических явлений. Они связаны с процессами перемещения заряда и энергии, поэтому их часто называют явлениями переноса. Направленные потоки заряда и энергии в кристалле порождаются и поддерживаются внешними силами: электрическим полем, градиентом температуры.
Направленный поток частиц (в частности, носителей заряда — электронов и дырок) возникает также при наличии градиента концентрации этих частиц. Магнитное поле само по себе не создает направленных потоков заряда или энергии, однако влияет на потоки, создаваемые другими внешними воздействиями.
Эффект Зеебека
Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т1 (горячий спай), а на другом температуру Т2 (холодный спай), то при условии Т1 не равна Т2 на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.
При наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает термодиффузионный поток носителей заряда от горячего конца к холодному. Если электрическая цепь разомкнута, то носители накапливаются на холодном конце, заряжая его отрицательно, если это электроны, и положительно в случае дырочной проводимости. При этом на горячем конце остается нескомпенсированный заряд ионов.
Возникающее электрическое поле тормозит носители, движущиеся к холодному концу, и ускоряет носители, движущиеся к горячему. Формируемая градиентом температуры неравновесная функция распределения смещается под действием электрического поля несколько деформируется. Результирующее распределение таково, что ток равен нулю. Напряженность электрического поля пропорциональна вызвавшему его градиенту температуры.
Величина коэффициента пропорциональности и его знак зависят от свойств материала. Обнаружить электрическое поле Зеебека и измерить термоэлектродвижущую силу можно лишь в цепи, составленной из разнородных материалов. Контактные разности потенциалов соответствуют разнице химические потенциалов материалов, приведённых в контакт.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока).
Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).
Эффект Томсона
Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты.
Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному.
На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает.
Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.
Практическое применение эффекта Томсона не нашел, но его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.
Практическое использование эффектов Зеебека и Пельтье
Термоэлектрические явления: эффекты Зеебека и Пельтье — находят практическое использование в безмашинных преобразователях тепловой энергии в электрическую — термоэлектрогенераторах (ТЭГ), в тепловых насосах — охлаждающих устройствах, термостатах, кондиционерах, в измерительных системах и системах управления в качестве датчиков температуры, теплового потока (смотрите — Термоэлектрические преобразователи).
Основой термоэлектрических приборов являются специальные полупроводниковые элементы-преобразователи (термоэлементы, термоэлектрические модули), например такие как TEC1-12706. Подробнее читайте здесь: Элемент Пельтье — как устроен и работает, как проверить и подключить
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
В чем заключается эффект Пельтье?
О, знакомая штука, мы его в своих приборах используем для охлаждения.
Значит, физика в чём: если пропускать ток через контакт двух разнородных материалов, то в зоне контакта, в зависимости от направления тока, будет поглощаться или выделяться избыточное тепло. Очень похоже на то, как термопара работает, только используется наооборот — не напряжение гнерируется за счёт разности температур, а температура изменяется при подаче напряжения.
Чтоб путный эффект был, используют не металлы, а специальные полупроводниковые материалы А2В6 на основе висмута и теллура. При пропускании тока через такую структуру на ней, с одной стороны, выделяется обычное джоулево тепло, а с другой стороны — за счёт эффекта Пельтье происходит охлаждение контакта (фактически перекачка тепла с холодного контакта на горячий, который к теплоотводу прикручен). Если отбираемое тепло больше джоулева — имеет место охлаждение. Но поскольлку джоулево растёт с током квадратично, а эффект Пельтье — линеен, то существует оптимальный ток, выше которого перепад температур опять начнёт уменьшаться.
Остальные ответы
эффект выделения или поглощения теплоты в области контакта двух металлов при прохождении электрического тока
Источник: все та же физика )))
Эффекты Зеебека и Пельтье. Термоэлемент представляет собой «тепловую машину» , в определенном отношении сходную с генератором тока, приводимым в действие паровой турбиной, но без движущихся частей. Подобно турбогенератору, он превращает тепло в электроэнергию, отбирая его от «нагревателя» с более высокой температурой и отдавая часть этого тепла «холодильнику» с более низкой температурой. В термоэлементе, действующем подобно тепловой машине, «нагреватель» находится у горячего спая, а «холодильник» – у холодного. То обстоятельство, что тепло с более низкой температурой теряется, ограничивает теоретический кпд преобразования тепловой энергии в электрическую значением (T1 – T2)/T1 где T1 и T2 – абсолютные температуры «нагревателя» и «холодильника» . Дополнительное снижение кпд термоэлемента обусловлено потерей тепла за счет теплопередачи от «нагревателя» к «холодильнику» . См. ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА.
Преобразование тепла в электрическую энергию, происходящее в термоэлементе, обычно называют эффектом Зеебека. Термоэлементы, называемые термопарами, применяют для измерения температуры, особенно в труднодоступных местах. Если один спай находится в контролируемой точке, а другой – при комнатной температуре, которая известна, то термо-ЭДС служит мерой температуры в контролируемой точке. Большие успехи достигнуты в области применения термоэлементов для прямого преобразования тепла в электроэнергию в промышленных масштабах.
Если через термоэлемент пропускать ток от внешнего источника, то холодный спай будет поглощать тепло, а горячий – выделять его. Такое явление называется эффектом Пельтье. Этот эффект можно использовать либо для охлаждения с помощью холодных спаев, либо для обогрева горячими спаями. Тепловая энергия, выделяемая горячим спаем, больше полного количества тепла, подведенного к холодному спаю, на величину, соответствующую подведенной электрической энергии. Таким образом, горячий спай выделяет больше тепла, чем соответствовало бы полному количеству электрической энергии, подведенной к устройству. В принципе большое число последовательно соединенных термоэлементов, холодные спаи которых выведены наружу, а горячие находятся внутри помещения, можно использовать в качестве теплового насоса, перекачивающего тепло из области с более низкой температурой в область с более высокой температурой. Теоретически выигрыш в тепловой энергии по сравнению с затратами электрической энергии может составлять T1/(T1 – T2).
К сожалению, для большинства материалов эффект настолько мал, что на практике потребовалось бы слишком много термоэлементов. Кроме того, применимость эффекта Пельтье несколько ограничивает теплопередача от горячего спая к холодному за счет теплопроводности в случае металлических материалов. Исследования полупроводников привели к созданию материалов с достаточно большими эффектами Пельтье для ряда практических применений. Эффект Пельтье оказывается особенно ценным при необходимости охлаждать труднодоступные участки, где непригодны обычные способы охлаждения. С помощью таких устройств охлаждают, например, приборы в космических кораблях.
Термоэлектричество
Сейчас можно увидеть и даже купить множество веселеньких устройств помогающих заряжать что угодно: браслет, использующий температуру тела для выработки электричества, «вечные» часы работающие от разности температуры тела хозяина и окружающей среды, сапоги для зарядки телефона, такие же куртки и даже (или особенно) источники питания для космических аппаратов.
Суть термоэлектричества
А между тем, эффект термоэлектричества был обнаружен еще 1821 году. Вот какая приключилась история… Для начала о сути эффекта термоэлектричества
 |
| Термопара и термоэлектрический эффект |
Если взять два проводника из разных материалов, спаять их вместе, а места спаев держать при разной температуре — в цепи появится напряжение, возникает термо-ЭДС (Эффект Зеебека).
Если же поступит наоборот и подключить источник тока — появится разность температур (Эффект Пельтье). Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и наоборот.
История термоэлектричества
В 1821 году Томас Иоганн Зеебек (Thomas Johann Seebeck) обнаружил, вышеописанный эффект, а в 1834 году Жак Пельтье поставил обратный эксперимент.
Немного позже в 1838 году Эмилий Ленц провел эксперимент, в котором при пропускании тока в одном направлении капля воды на стыке проводников превращалась в лед, при смене направления тока — лед превращался в воду.
Еще был интересный опыт Алесандро Вольта, который нагревал один конец железного прута согнутого дугой и опускал концы в два сосуда с водой. В сосудах препарированная находилась лягушка (одна часть в одном, другая в другом). При опускании прута в воду ее мышцы рефлекторно сокращались под действием электрического тока.
Что же такой замечательный эффект не применяется в жизни, спросят скептики? А он применяется. Вот некоторые факты:
Компания Orange продает резиновые сапоги Orange Power Wellies, которые можно использовать для зарядки мобильного телефона. Походив в сапогах двенадцать часов, можно получить энергию для примерно часового разговора по телефону.
Компания TES NewEnergy Corp из Японии. выпускает кастрюлю с термоэлементом в днище. Пока кастрюля греется на костре, аккумулятор заряжается.
Компания Thermo Life Energy создала миниатюрное устройство с более 5 тысячью термопар в корпусе диаметром 9,3 миллиметра и весом в 0,23 грамма при помощи процесса, базирующегося на фотолитографии. При перепаде температур между двумя сторонами устройства всего в 5 градусов получаем напряжение 6 вольт и силу тока около 10 микроампер.
В Industrial Nanotech создали особый вид термокраски способный вырабатывать электроэнергию.
Dyton Energy кроме элегантных браслетов с термоэлектрическим эффектом продает еще и потрясающие вентиляторы без пропеллера.
 |
| Браслет для подзарядки телефона |
Как можно заметить, термоэлектричество применяется только в приборах с малой энергией потребления. Проблема в том, что КПД термоэлементов находится в пределах 8-12%.
Но электроэнергия ведь дармовая, разность температур можно найти в любой точке земли просто закопав проводники на достаточную глубине (где температура постоянна), этим пользуются при постройке энергоэффективных домов.
Постоянна температура и человеческого тела и редко случается, что что она совпадает с температурой окружающей среды. В космосе же перепады температур и вовсе экстремальны…
Со временем КПД термопар повысится, а энергопотребление устройств понизится и вполне возможно, история повернется так, что мы забудем о тепловых машинах и сжигаемых видах топлива.
Читайте также:
Инерциальная система
24 августа, 2023 Автор: istorii_master · Published 24 августа, 2023 · Last modified 13 октября, 2023 —>
Как работает машина на воде?
20 июля, 2015 Автор: istorii_master · Published 20 июля, 2015 · Last modified 16 августа, 2023 —>
Трава на крыше
30 июня, 2023 Автор: istorii_master · Published 30 июня, 2023 · Last modified 9 октября, 2023 —>
комментария 2
Story_master :
Суть же никак не измениться. Вы же не в школе тетрадки проверяете. Плевал я на грамматику русского языка, если честно)
Спасибо! полезные сведения. Но! — пишете о науке, так не пренебрегайте правилами грамматики. Что это за «устройство с более 5 тысячью термопар»?! По-русски, по-моему, пишут «устройство с более чем 5 (пятью) тысячами термопар»
Добавить комментарий
Следите за нами:
- Следующая публикацияСтоимость одной оливки
- Предыдущая публикацияПочему Ан-2 Кукурузник?
Рубрики
Свежие записи
- Кому выгодно
- Реактивный двигатель
- Горячая вода замерзает…
- Чему равно число е
- Инерциальная система
Лучшее
- Популярные записи
- Новые записи
- Новые комментарии
- Метки
Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье.
Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.
В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.
Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя — эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.
Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.
Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, более известному как термоэлектрический эффект.
Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.
Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов — полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70. 75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи.
Батарея Пельтье
Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
— отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
— отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
— небольшие размеры;
— возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.
Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
— малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
— низкая холодпроизводительность;
— высокая стоимость.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.
НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.
Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC — это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.
Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.
Также холодильники на основе эффекта Пельтье применяются в космосе. Более подробно можно почитать в статье Космические холодильники.