ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Крицкий О.В.,Крицкая А.Р.,Силаева Н.А.

Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана


Номер: 12-1
Год: 2014
Страницы: 13-16
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

Термо ЭДС, коэффициент Зеебека, термопара, добротность термоэлектрического материала, Thermal EMF, the Seebeck coefficient, thermocouple, the quality factor of the thermoelectric material

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассмотрены физические основы термоэлектрических явлений на примере явления Зеебека. Проанализированы требования к материалам для термоэлектрических батарей. Дан обзор использования термоэлектрических явлений в промышленности и на производстве.

Текст научной статьи

Между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках имеется взаимосвязь, которая обусловливает явления, называемые термоэлектрическими .К их числу принадлежат явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона. В случае, если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь, имеют неодинаковую температуру, в цепи течет электрический ток (явление Зеебека). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Рассмотрим два разнородных металла, отличающиеся работами выхода и химическими потенциалами. Пусть .Во втором металле электронами заполнены более высокие энергетические уровни, чем в первом. Если привести металлы в соприкосновение, то электроны проводимости частично переходят из второго металла в первый. При этом выравниваются их электрохимические потенциалы: металл 1 заряжается отрицательно, а металл 2 - положительно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней электронов в контактирующих металлах. В металле, заряжающемся отрицательно, все уровни смещаются вверх, а в металле, заряжающемся положительно, - вниз. В состоянии равновесия электрохимические потенциалы выравниваются: (1) Разность потенциалов контактирующих металлов называется внутренней контактной разностью потенциалов: (2) Это относится к температуре Т=0 К. Как известно, для электронного газа в металлах химический потенциал зависит от температуры Это значит, что и зависит от температуры. (3) Рассматриваемая разность потенциалов, или термо ЭДС обусловлена тремя причинами: 1) зависимостью уровня Ферми от температуры, 2)диффузией электронов (или дырок) и 3) увлечением электронов фононами. Уровень Ферми зависит от температуры (см. формулу 3). Поэтому скачок потенциала при переходе из одного металла в другой, т. е. внутренняя контактная разность потенциалов для спаев, находящихся при разных температурах, неодинаков и сумма скачков потенциала отлично от нуля. (4) Рассмотрим однородный металлический проводник, вдоль которого имеется градиент температуры. В этом случае концентрация электронов с у нагретого конца будет больше, чем у холодного; концентрация электронов с будет ,наоборот , у нагретого конца меньше. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с данным значением энергии, что повлечёт за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных - к теплому. Диффузионный поток быстрых электронов будет больше , чем поток медленных электронов .Поэтому вблизи холодного конца образуется избыток электронов ,а вблизи горячего - их недостаток. Это приводит к возникновению диффузионного слагаемого термо-э.д.с. Третья причина возникновения термо-э.д.с заключается в увлечении электронов фононами. Фонон - квазичастица, сопоставляемая волне смещений атомов (ионов) и молекул кристалла из положений равновесия. Энергия фонона , квазиимпульс , где ω- частота колебаний атомов , k- квазиволновой вектор. Число тепловых фононов тем больше, чем выше температура Т. Среднее число фононов данного типа с энергией определяется формулой Планка: . При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к менее нагретому. В результате происходит накапливание электронов на холодном конце и обеднение электронами горячего конца ,что приводит к возникновению “фононного” слагаемого термо-э.д.с. Оба процесса - диффузия электронов и увлечение электронов фононами - приводят к образованию избытка электронов вблизи холодного конца проводника и недостатка их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры .Напряжённость этого поля можно представить в виде (5) где (6) Соотношение (5) связывает напряженность с градиентом температуры . Возникающее поле и градиент температуры имеют противоположные токи через эмиттер и коллектор. Определяемое поле является полем сторонних сил .Проинтегрировав напряженность этого поля по участку цепи А от спая 2 до спая 1, получим термо-э.д.с. ,действующую в направлении ,указанном стрелкой на рис . 1: (7) Аналогично термо-э.д.с. ,действующая на участке В от спая 1 до спая 2 ,равна (8) Термоэлектродвижущая сила слагается из э.д.с. ,возникающих в контактах ,и э.д.с. действующих на участках А и В : . (9) (10) Заменив =α ,получим (11) (12) В отдельных случаях удельная термо-э.д.с. слабо зависит от температуры. Тогда формулу (12) можно приближённо представить в виде (13) Однако, как правило, с увеличением разности температур спаев изменяется не по линейному закону ,а довольно сложным образом ,вплоть до того, что может менять знак .Так, например, если один спай пары железо -медь поддерживать при 0, то при температуре второго спая, равной примерно 540 ,термо- э.д.с. обращается в нуль; при более низкой температуре имеет один знак, при более высокой - другой. Коэффициент называют коэффициентом Зеебека (удельной термо-э.д.с.), он зависит от материала проводников и интервала температур (смотри таблицу 1). Термо - э.д.с. чувствительна к микроскопическим количествам примесей ,к ориентации кристаллических зерен .Термо-э.д.с. может возникнуть в цепи ,состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергались различным технологическим операциям. Таблица 1 Значения для некоторых металлов и сплавов по отношению к Pb Материал α, мкВ/К Материал α, мкВ/К Железо +1,5 Платина -4,4 Медь +3,2 Алюмель -17,3 Платинородий +2 Константан -38 Хромель +24 Копель -38 Свинец 0,0 Термо-э.д.с. металлов очень мала, сравнительно больше термо-э.д.с. в полуметаллах и их сплавах, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах Pd c Ag термо - э.д.с. достигает 86 (мкВ/К).Термопара “сплав платина-10% родий-чистая платина ” самая стабильная и применяемая в термическом анализе минералов. Термо-э.д.с.в них велика из-за того ,что средняя энергия электронов в потоке сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые электроны обладают меньшей диффузионной способностью, чем медленные, и термо-э.д.с. меняет знак. Величина и знак термо-э.д.с зависит также от формы ферми-поверхности, различные участки которой могут давать в термо-э.д.с. вклады противоположного знака. Знак термо-э.д.с. металлов иногда меняется на противоположный при низких температурах. В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остается некомпенсированный отрицательный заряд (если аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака террмо-э.д.с). Основными требованиями к материалам для термоэлектрических батарей являются: коэффициент термо-э.д.с. Зеебека (, высокая электропроводность (σ), и низкая теплопроводность (К), что определяет эффективность или добротность термоэлектрического материала (Z). Это уравнение может быть приведено к безразмерной форме , умножением его на значение абсолютной температуры Т (температуры горячего спая термопары). , где ZT-термоэлектрический показатель качества материала, - коэффициент мощности материала. На сегодняшний момент развитие полупроводниковых термоэлектрических материалов решает задачу повышения термоэлектрической добротности. Достигнуты показатели ZT на уровне 1,0-1,5 (для промышленных материалов), возможно получение ZT на уровне 2,0. Дальнейшее повышение ZT возможно только на качественно другом уровне создания термоэлектрических сплавов (ямы квантования, нано технологии). Лучшие термоэлектрические элементы достигают КПД - 8-12%, что не позволяет им конкурировать в большой энергетике с тепловыми машинами. Явление Зеебека используется для измерения температур. Соответствующее устройство называется термопарой .Один спай термопары поддерживают при постоянной температуре (например ,при 0), другой помещают в те среду ,температуру которой хотят измерить .О величине температуры можно судить по силе возникающего термотока, измеряемой гальванометром. Более точный результат получается, если измерять возникающую термо-э.д.с. по методу компенсации. Предварительно термопару градируют. В качестве источников тока термопары из металлов и их сплавов не используются вследствие весьма низкого к.п.д. (не более 0,5 %). Термопары из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к.п.д. (порядка 10%). Они нашли применение в качестве небольших генераторов для питания радиоаппаратуры. Также, термопары используют в составе термоэлектрических измерительных приборов. Термоэлектрический измерительный прибор, представляет собой сочетание термоэлектрического преобразователя с электроизмерительным механизмом постоянного тока. Применяется для измерения силы и напряжения (реже мощности) электрического тока, особенно при несинусоидальных токах и на повышенных частотах.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.