Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь...

Главная

Библиотека

О клубе
ГАИ "Алтай-Космопоиск"
Путеводитель по Алтаю
Маршруты (походы)
   Туризм

X-files

Наука и технологии

Техника и приборы

Косморитмодинамика

Новости

Фотоальбомы

Видеоальбомы

Карты (треки)

Прогноз погоды

Контакты

Форум

Ссылки, баннеры

 

Наш сайт доступен

на

52 языках

 

 
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений

 

 

Здесь

может быть ваша реклама.

 

Наука и технологии

Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ы  Э  Ю  Я   По связи разделов
Зеебека эффект
Возникновение эдс (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах

Анимация

Описание

Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток IT), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1).

 

Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

 

 

Рис. 1

 

Цепь, составленная из двух различных проводников (М1М2), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви - термоэлектродами.

Величина термоэдс (eТ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA , TB), разности этих температур DT и от природы материалов, составляющих термоэлемент. 

Термоэдс контура определяется формулами:

 

deТ a12dT; 

 

.

 

Здесь a12  - коэффициент термоэдс металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину a измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами.

Значения коэффициентов термоэдс металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно a1 и a2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда a12 aa2

В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0°С ё 100°С): 

 

eТ = a12 (TA - TB) = a12 DT.

 

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением a к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М1) - константан (М2) абсолютные коэффициенты термоэдс соответственно равны: a1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и a2= -38.0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1). Именно эта ситуация (когда a2<a1) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 1.

Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур. В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака a.

Термоэдс обусловлена тремя причинами:

1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;

2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей  объемную часть термоэдс;

3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую - фононную.

Рассмотрим первую причину. Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс ( ):

 

;

 

,

 

где E- энергия Ферми;

к - постоянная Больцмана;

е - заряд электрона.

 

Для свободных электронов aк должно линейно меняться с  температурой. 

Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле ЕТ, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 2). 

 

Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствиии пространственной неоднородности температуры

 

 

Рис. 2

 

Напряженность возникающего термоэлектрического поля определяется градиентом температуры вдоль образца (ЕТ=dT/dx), а разность потенциалов (термоэдс) - разностью температур (DjТ =aDТ).

Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.

В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.

Третий источник термоэдс - эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим.

Необходимо отметить, что "фононное" и "диффузное" слагаемые термоэдс имеют один и тот же знак, в то время  как контактная термоэдс, как правило, противоположна им по знаку.

Строгий вывод термоэдс из кинетического уравнения достаточно сложен. Вообще, причина всех термоэлектрических явлений - нарушение теплового равновесия в потоке (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от ее значения на уровне Ферми). Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа) имеет вид:

 

.

 

Считая, что зависимость проводимости металлов (s) от энергии (Е) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:

 

.

 

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей. В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому термоэдс "классических" металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников a может превышать 1000 мкВ/К.

Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0°С ё 100°С (положительный знак a приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).

 

 

Таблица 1

Металл

a, мкВ/К

Платина

-4.4

Олово

-0.2

Свинец

0.0

Серебро

+2.7

Медь

+3.2

Сурьма

+4.3

 

Приведенные данные не следует считать абсолютно достоверными, так как величина термоэдс зависит от чистоты материала и очень чувствительна к внешним механическим и химическим воздействиям.

Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.

Помимо эффекта Зеебека, к термоэлектрическим явлениям относят эффект Пельтье, обратный  явлению Зеебека и эффект Томсона. 

Коэффициент термоэдс a связан с коэффициентами Пельтье (p) и Томсона (t) соотношением:

 

.

 

Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.

С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения температур. Что касается  термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс.

Эффект открыт в 1821 г. Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck).

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -2 до 3).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Термопара

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С

На рис. 3 показаны схемы включения термопары в измерительную цепь: 

а) измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1;

б) измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2ТА и ТВ - температуры соответственно "горячего" и "холодного" контактов термопары.

 

Типичная схема включения термоэлектрического датчика с термостатированным контактом

 

Рис. 3а

 

Типичная схема включения термоэлектрического датчика с с нетермостатированным "холостым" контактом

 

 

Рис. 3б

 

При измерении температуры один из контактов обычно термостатируется (обычно при 273 К - с помощью тающего льда). 

Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от гелиевых, до нескольких тысяч градусов. В таблице 2 приведены материалы термоэлектродов, из которых обычно делаются термопары, используемые для разных температурных областей. 

 

 

Таблица 2

Диапазон температур, К

Материалы  термоэлектродов

4ё270

Золото - медь

70ё800

Медь - константан

220ё900

Хромель - копель

220ё1400

Хромель - алюмель

250ё1900

Платинородий - платина

300ё2800

Вольфрам - рений

 

В зависимости от назначения термопары бывают: стационарные и переносные, с влагонепроницаемой, взрывобезопасной, герметичной оболочкой и без нее, виброустойчивые и др.

 

Применение эффекта

С помощью явления Зеебека, помимо температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: силы переменного тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д.

Для увеличения чувствительности термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи (рис.4). При этом, все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные - при другой. Эдс такой батареи равна сумме термоэдс отдельных элементов. 

 

Термобатарея

 

 

Рис. 4

 

Миниатюрные термобатареи (так называемые термостолбики) с успехом применяют для измерения интенсивности света (как видимого, так и невидимого). В соединении с чувствительным гальванометром они обладают огромной чувствительностью: обнаруживают, например, тепловое излучение  человеческой руки.

Термобатарея представляет интерес и как генератор электрического тока. Однако использование металлических термоэлементов неэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы. 

 

Литература

 1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.2.- С.76-77.- Т.5.- С.98-99.

 2. Электроника. Энциклопедический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1991.- С.530-541, 544-545.

 3. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.481-487.

 4. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311.

 

 

Ключевые слова

  • металл
  • полупроводник
  • носители заряда
  • электроны
  • дырки
  • фононы
  • проводимость металлов
  • сила тока
  • плотность тока
  • температура
  • градиент температуры
  • тепловой поток
  • диффузионный поток
  • контактная разность потенциалов
  • энергия Ферми
  • явления переноса в металлах
  • термоэлектрические явления
  • термоэдс
  • коэффициент термоэдс
  • коэффициент Пельтье
  • коэффициент Томсона
  • термопара

Разделы естественных наук:

Полупроводники
Твердые тела
Термодинамика
Термоэлектрические явления
Электрический ток в твердых телах
Электрическое поле

Формализованное описание Показать

     
Тут
Создам эффективный landing page в Ташкенте по доступной цене
skif.uz
Изготовление папок с логотипом угадываться
Печать папок, блокнотов, брошюр. Цифровая и офсетная печать в Москве
iprint.ru