В чем заключается эффект зеебека

Эффект Зеебека

К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти явления нашли широкое применение, в частности эффект Зеебека, положенный в основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров.

Явление Зеебека открыто в 1821 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс).

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 не скомпенсированный 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.

В электрической цепи, составленной из разных проводников (М₁ и М₂), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Когда цепь замкнута, в ней течет электрический ток (называемый термотоком), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 5).

Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Величина термоэдс зависит от абсолютных значений температур спаев (T_A, T_B), разности этих температур и от природы материалов, составляющих термоэлемент. В небольшом интервале температур термоэдс  можно считать пропорциональной разности температур:

(6)

Здесь ₁₂ – термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс) металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину  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 ₁ и ₂ и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением  к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М₁) — константан (М₂): ₁ = +15,0 мкВ/К; ₂ = –38,0 мкВ/К. Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М₂ к М₁). Именно эта ситуация (когда ₂ < ₁) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 4.

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 .

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.

Первая причина. 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 ():

(8)

(9)

где E_F – энергия Ферми;

k – постоянная Больцмана;

е – заряд электрона.

Для свободных электронов  k 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 Е_Т, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 6).

Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры

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.

Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа) имеет вид:

(10)

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

(11)

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  может превышать 1000 мкВ/К.

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

Металл , мкВ/К

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.

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.

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.

Что такое эффект Зеебека

Термоэлектрический эффект был открыт в 1821 немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Поэтому данное явление в честь ученого было названо эффектом Зеебека. В своих экспериментах он использовал своеобразный компас и заметил отклонение стрелки под действием тепла. Ученый связал это с возникновением магнитного поля и, следовательно, счел, что дал объяснение природе магнитного поля Земли. Только много позже было понято электрическое происхождение данного явления. Эффект Иоганна Зеебека проявляется в равной мере и для двух проводников из разных материалов, и для проводника из однородного материала.

Природа термоэлектродвижущей силы

Эффектом Зеебека называют процесс возникновения разности электропотенциалов в зоне соединения двух материалов под действием тепла. Значение разности потенциалов, создаваемой данным эффектом, имеет порядок нескольких мкВ на разницу температур в 1 градус (Цельсия или Кельвина).

Если один конец проводника нагреть, а другой охладить, то в проводнике возникнет термоэлеткродвижущая сила. Она характеризует термоэлектрическое напряжение, появляющееся в материале из-за разницы температур. Термоэлектродвижущая сила или коэффициент Зеебека (тепловая мощность) в международной системе единиц СИ измеряется в вольтах на кельвин (В/К), но более распространено указание в микровольтах на кельвин (мкВ/К).

У термоЭДС знак может быть положительным или отрицательным. В проводящем материале это знак минус при наличии носителей отрицательного электрозаряда (электронов) и плюс в случае носителей положительных электрозарядов (электронных дырок).

Простым методом оценки коэффициента Зеебека является измерение напряжения на концах проводника при приложении к нему разности температур, когда в проводнике устанавливается равновесие с нулевой плотностью электротока.

При наличии небольшой температурной разницы ∆T между концами проводника коэффициент Зеебека можно определить с помощью довольно простой формулы:

Сдвиг термоЭДС, связанный с рассматриваемым эффектом, невозможно оценить прямым способом, поскольку измеряемая ЭДС (при подключении вольтметра) смещена на величину, обусловленную градиентом температуры, а также эффектом Зеебека в проводах измерительного прибора. Знак коэффициента Зеебека можно определить по следующему выражению:

Следовательно, S положительно, если нагретый конец материала имеет более низкий потенциал, и отрицательно в противоположном случае, т. е. градиент напряжения в проводнике направлен против градиента температуры.

Коэффициент Зеебека отличается нелинейной температурной зависимостью. Он зависит от абсолютной температуры и молекулярной структуры материала. Если значение коэффициента можно считать постоянным в рассматриваемом температурном диапазоне, то результирующее напряжение при проведении опыта задается формулой:

Коэффициент Зеебека полупроводников очень сильно зависит от легирования, причем для p-легированных материалов он, как правило, имеет положительный знак, а для n-легированных — отрицательный.

Как определяется коэффициент

Принцип определения коэффициента Зеебека заключается в вычислении разности потенциалов, вызванной разницей температур известного значения. На практике его можно найти лишь для пары материалов, поэтому нужен эталонный материал. В качестве такого используются сверхпроводники с нулевым значением термоЭДС. Действительно, эффект Томас Иоганна Зеебека определяется переносом энтропии электронами или дырками в материале, но носители электрозаряда не переносят энтропию в сверхпроводящем состоянии.

Исторически сложилось так, что значение термоЭДС для неорганического соединения ниобия и олова с формулой Nb₃Sn, измеренное при критической температуре T_кр = 18 K для пары Pb-Nb₃Sn, позволяло получить значение коэффициента S_Pb для свинца (Pb) до 18 K, а затем и во всем температурном диапазоне. В связи с этим свинец стал эталонным материалом для определения коэффициента прочих материалов.

Объяснение эффекта Зеебека

Данное явление обусловлено двумя физическими эффектами: переносом электрического заряда путем диффузии и сопротивлением фонону. На величину термоэлектрических коэффициентов влияют температура материала, его кристаллическая структура и наличие примесей.

Переносчики электрического заряда в материалах (в металлах — электроны, полупроводниках — электроны и дырки, ионных проводниках — ионы) способны диффундировать, если концы материала имеют разную температуру.

Высокотемпературные носители будут перемещаться к низкотемпературным, если плотность первых в низкотемпературной и высокотемпературной частях материала различна. По той же причине переносчики заряда из зоны с более низкой температурой диффундируют в горячую.

После достижения равновесия тепло равномерно распределяется по проводнику. Перемещение тепла через более высокотемпературные (т. е. более энергетические) носители заряда от одного конца проводника к другому известно, как тепловой электрический ток. Пока носители движутся, будет существовать и электрический ток.

В системе, в которой концы проводника имеют постоянную разницу температур (постоянный ток течет от одного конца проводника к другому), наблюдается постоянная диффузия носителей. Если бы скорость диффузии высокотемпературных и низкотемпературных носителей была одинаковой, не было бы никакой разницы в накопленных зарядах.

Однако носители зарядов рассеиваются примесями в решетке, нарушениями ее правильной структуры и фононами (квазичастицами, квантами энергии согласованного колебательного движения атомов твердого тела, образующих идеальную кристаллическую решетку).

Если рассеивание зависит от энергии носителя, то высоко- и низкотемпературные носители будут рассеиваться с различной скоростью (имея разные температуры, они обладают разной энергией). Из-за этого на одном конце проводника образуется более высокая плотность носителей. Наличие зарядов противоположного знака способствует возникновению разности потенциалов и электрического поля.

Однако данное поле противодействует рассеиванию, зависящему от энергии носителя, следовательно, оно становится неравномерным. Равновесие достигается, когда эффект от количества переносчиков заряда, рассеивающихся в одном направлении, аннулируется количеством переносчиков того же знака, перемещающихся в противоположном направлении под воздействием создаваемого поля. Это означает, что термоэлектрическое напряжение материала определяется следующими факторами:

• количествомпримесей;
• наличиемнесовершенств кристаллической решетки;
• структурнымиизменениями (зависящими от температуры и напряженности электрическогополя).

Фононное сопротивление в полупроводниках при комнатной температуре дает существенный вклад в коэффициент Зеебека, что сравнимо по величине с эффектом диффузии носителей.

Японскими учеными экспериментально было доказано, что существует спиновый эффект Зеебека. Поскольку в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то ученые сделали логичное предположение, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека.

Иными словами, магнит предложено рассматривать как проводник, который состоит из двух проводников с различными коэффициентами Зеебека. Он является аналогом термопары, используемой в классическом эффекте.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье (исторически обнаруженный позднее эффекта Зеебека) — термоэлектрическое явление, проявляющееся в том, что при протекании электротока через контакт спаянных проводников из разных материалов теплота выделяется либо поглощается, т. е. контакт нагревается либо охлаждается.

Количество выделяемой теплоты и ее знак определяются родом контактирующих материалов, направлением и значением силы электрического тока. Обычно выделяемое по эффекту Пельте тепло существенно меньше того тепла, образование которого описывает закон Джоуля-Ленца. Эффект Пельте успешно применяется в автомобильных холодильниках.

Эффект обнаружен французским мастером часовых дел Жаном Пельтье в 1834 году, а сущность явления экспериментально исследовал через 4 года российский ученый Эмилий Христианович Ленц. Эмпирически установлено, что количество выделяющегося тепла Q_P пропорционально произведению силы электротока на время его протекания.

Английский ученый Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал, что коэффициент Пельтье П пропорционален коэффициенту Зеебека S и равен произведению абсолютной температуры T на коэффициент Зеебека: П=T*S.

Практическое применение эффекта Зеебека

На основе эффекта Зеебека строится измерение разности температур как разности потенциалов, возникающей в цепи, состоящей из проводников из различных материалов. Для этого используют устройство, получившее название «термопара». Она может использоваться как преобразователь термического тока в показания термометра или же в качестве температурного датчика. Термоэлектрический термометр представляет собой элемент, сделанный из двух разных материалов, соединенных сваркой. Чтобы измерить абсолютную температуру, один из двух переходов устройства помещают в зону исследования, а другой подключают к измерительному прибору.

Эффект Зеебека используется в термоэлектрических генераторах для производства электроэнергии за счет разницы температур, например, в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе. Различные термопары могут быть соединены последовательно, образуя так называемую термобатарею.

Одно из известных применений термобатарей — т. н. «партизанский котелок», или термоэлектрогенератор ТГ-1 мощностью до 10 Вт, созданный на основе полупроводниковых термоэлементов в период Великой Отечественной войны под руководством академика А. Ф. Иоффе. Котелок предназначался для питания полевых радиостанций партизанских отрядов и диверсионно-разведывательных групп в тылу противника при отсутствии или для экономии батарей питания анодных и накальных цепей радиоаппаратуры.

«Котелок» наполнялся водой и подвешивался над костром, что создавало разницу температур в 300 градусов. Электричество вырабатывалось термоэлементами на основе соединения сурьмы с цинком и константаном.

После войны серийно выпускались ТЭГ в виде насадки на ламповое стекло керосиновой лампы для освещения или в качестве насадки к керосиновой горелке для готовки пищи.

Использование материалов с высоким коэффициентом Зеебека важно для действенного функционирования термоэлектрических генераторов и термоэлектрических охладителей. С целью повышения точности оценки температуры предпочтительно применять материалы с постоянным во времени коэффициентом Зеебека.

Термоэлектрические генераторы имеют довольно низкий КПД, преобразуя в электрическую энергию около 7% тепловой энергии. Для сравнения, турбомашины для наземного применения с рекуперацией тепла в настоящее время способны преобразовать в электрическую энергию порядка 50 процентов вырабатываемой тепловой энергии.

Примечательно, что два очень распространенных и дешевых металла имеют одни из самых высоких коэффициентов Зеебека по абсолютной величине, но с противоположными знаками: железо (+11.6 мкВ/К) и никель (-8.5 мкВ/К). Они представляют собой идеальную пару для создания термоэлектрического генератора: железо чувствительно к коррозии, но слой никеля, нанесенный на него, защищает его, что позволяет создать диэлектрическую пару из одной тонкой пластины никелированного железа.

Однако полученная термопара обладает относительно высоким сопротивлением, а также вызывает ферромагнитный эффект, который создает высокое сопротивление. На практике такая сборка может быть использована для изготовления датчика температуры, работающего при низкой мощности и квазипостоянном токе для питания стока транзистора усилителя мощности, предназначенного для превращения его в прибор для измерения температуры. Однако гораздо более высокие коэффициенты получаются в легированных полупроводниках со сложной, но регулярной кристаллической структурой (т. е. не аморфной, для хорошей электропроводности), и где легирование не нарушает эту структуру.

Одно из возможных применений — изолированные от электросети районы, где электроэнергия может вырабатываться дровяной печью, оснащенной термоэлектрическим генератором. Подобная конструкция оказывается более надежной, чем солнечные батареи. В продаже имеются термоэлектрические модули, размещаемые между варочной поверхностью и сковородой.

Исследования, проведенные в 2007 году в Калифорнийском университете и направленные на получение более дешевых и более эффективных преобразователей в будущем, зафиксировали эффект Зеебека при использовании вместо классических металлических сплавов органических молекул. Исследователи поместили молекулы бензендитиола, дибензендитиола и трибензендитиола между двумя электродами с золотым покрытием и после нагрева одного из электродов отметили протекание слабого тока. На каждый градус Цельсия разницы температур исследователи зарегистрировали 8.7 мкВт электричества для бензендитиола, 12.9 мкВт для дибензендитиола, и 14.2 мкВт для трибензендитиола. Максимальная разница температур между концами материалов составляла 30 градусов.

До недавнего времени потенциал термогенераторов для производства электроэнергии был настолько мал, что его не считали экономически эффективным в больших масштабах или для крупномасштабного производства. Данное явление использовали только для дорогих атомных батарей в космических зондах или для питания небольших бесшумных двигателей. Однако в 2015 году исследования позволили получить гораздо более высокие «урожаи» за счет использования определенных оксидов с очень хорошими коэффициентами преобразования энергии, которые также являются термостойкими и нетоксичными. В будущем тепловые машины, автомобильные двигатели или компьютерные процессоры смогут преобразовывать рассеиваемое и отводимое ими тепло в электричество.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека (ЭЗ, термоэлектрический эффект) определяет появление разницы потенциалов в месте соединения двух разнотипных материалов после нагрева определяемого участка. Эффект назван в честь ученого, который выявил его в 1822 году. В это время был проведен опыт нагрева контактов двух различных по типу сплава материалов, где был взят висмут и сурьма. Фиксирование полученных изменений было произведено за счет гальванометра. Удерживая участок стыка соединённых металлов, ученый обнаружил, что магнитная стрелка поменяла свое положение. Конечно, эта разница была не столь заметной, но дальнейшие опыты привели к требуемому результату.

Термоэлектрический эффект был обнаружен по причине возникновения движущейся электрической силы в рамках замкнутого контура, который состоял из разных материалов. Со временем было выявлено, что разница температур вызвана появляющимся термоэдс, следствием которого является возникновение тока в замкнутом контуре. На сегодняшний день эффект Зеебека полностью изучен и нашел свое применение во многих сфера деятельности человека. Но, самая высокая его востребованность наблюдается в производстве термопар.

Устройство

Термоэлектрический эффект заключается в производстве термопар, состоящих из 2-х разнородных сплавов, которые при контакте образуют замкнутый контур. Каждый металл имеет свой коэффициент Зеебека из-за чего между нагретым, и не нагретым проводником термопары появляется напряжение. Именно за счет этого напряжения и определяется термическая составляющая, т. к. оно прямо пропорционально разности температурных значений металлов.

Эффект Зеебека применим в большинстве термоэлектрических устройств. В большей части структур термоэлектрических генераторов включены термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов. Они могут быть соединены в параллельном или в последовательном порядке. Еще к ним относятся теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термобатарей.

В стандартной схеме цепи термоэлектрических генераторов имеются:

Полупроводниковый термоэлемент, выполненный из ветвей проводимости по типу p- и n-. У этих контактов знаки коэффициента термической движущей силы разные.

Пластины коммутации, имеющие нагреваемые и не нагреваемые спаи.

Во время включения термического элемента к нагрузке контура по нему начинает проходить постоянный ток, вызванный ЭЗ. Протекающее электричество поглощается спайками и выделяется в виде тепла. Для обеспечения высокого уровня ЭДС, подобные полупроводники должны обладать высокой электропроводностью. Чтобы получить существенный перепад температуры на промежуточном участке между спаями, достаточна их невысокая тепловая проводимость. Такими характеристиками наилучшим образом обладают материалы с высоким легированием.

Принципы действия

Главным образом эффект Зеебека действует по принципу того, что в замкнутом контуре двух разных материалов ЭДС появляется тогда, когда их контакты имеют разные температурные значения. Иными словами, значение ЭДС зависит от состава проводников и их температур. Если в наличии проводника есть температурный градиент, то по всей его длине будет наблюдаться увеличенная скорость электронов на нагретом конце и более низкая на ненагретом. По законам физики, электроны с нагретого конца направятся к противоположной стороне. В данном участке будет скапливаться отрицательный заряд. Противоположная сторона будет иметь накопление положительно заряженных частиц.

Заряды будут накапливаться до тех пор, пока потенциальное отличие не достигнет показателей, при которых электроны потекут обратно. В данных условиях потенциал начнет приобретать равновесие.

Эффекту Зеебека характерны различные свойства:

Между контактами возникает разность потенциалов. На разных контактирующих друг с другом проводках энергия Ферми также разная. При замыкании цепи потенциалы электронов будут иметь одинаковое состояние, а между контактами возникнет разность потенциалов. На контактах появится электрическое поле, локализованное в тонком приграничном слое.

В условиях замыкания цепи на проводках появится напряжение. Направление электрополя в двух контактах продвигается от большего к меньшему. При изменении термических значений напряжение также будет меняться. Но, в условиях изменения разности потенциалов изменится и электрическое поле в одном из контактов, результатом чего будет возникновение ЭДС в контуре. Если температура проводников будет равной, то объемная и контактная ЭДС приравняются к отметке 0.

Возникает фоновое увеличение. Если в твердом теле появляется градиент термического диапазона количество фонов, направляющихся к концу ненагретого проводника, увеличится. Их число будет возрастать сравнительно с теми, которые направляются к обратной стороне. Из-за столкновения с электронами фононы утянут за собой и другие. В итоге прогретый проводник накопит отрицательные заряды. А к нагретому проводнику будут прибывать положительные частицы, пока разница потенциалов не уравняется с эффектом увеличения. Разность потенциалов при низких температурах способна достигать параметров выше в сотни раз.

В проводниках с магнитными свойствами наблюдается магнонное увеличение. ЭДС возникает вследствие увеличения электронов магнонами.

Применение на практике

Устройства, созданные по принципу Зеебека, нашли широкое применение в быту и повседневной жизни людей. Например, приходя в сауну практически никто не задумывается, что температуру в ней контролируют за счет обычной термопары.

Термопара — это термоэлектрический измеритель, выполненный из двух разнородных металлов, которые между собой соединены за счет сварки. Один из ее концов помещают в самой сауне, а другой просто выводят наружу и подсоединяют к измерительному прибору. Когда воздух в сауне прогревается, разные концы термопары находятся в совершенно разной термической атмосфере и работаю при разных значениях. В таких условиях возникает градиент температур, что приводит к возникновению термического тока. Датчик к которому подключен ненагреваемый конец термопары преобразовывает термический ток в температурный показатель и автоматизирует подключение и отключение печи при наборе или спаде заданной температуры. Таким образом, осуществляется не только контроль, но и регуляция температуры в помещении сауны. Интересно знать, что если доступ к блоку управления температурой закрыт, например, в городских банях, то проводить управление температурой можно и без него. Для этого нужно можно на конец термопары намотать смоченную в холодной воде ветошь (ткань). Термопара охладится, и печь продолжит нагрев.

Применение

Примером использования эффекта Зеебека служат множество современных устройств: сенсоры напряжения, температурные датчики, измерители газового давления, термические электрогенераторы, контролеры интенсивности освещения и мн. др.

Приборы, работающие по принципу Зеебека, применяют:

В системах навигации;

В генераторах, промышленного и бытового значения;

В энергетически обеспечительных установках космического назначения;

В преобразователях солнечной энергии.

В отопительном оборудовании.

В установках служащих для перекачивания и переработки нефтяной продукции и газа;

В преобразователях тепловой энергии, вырабатываемой природными источниками.

Будущее

Эффектом Зеебека сильно заинтересованы ученые всего мира. Совсем недавно американские ученые разработали технологию, позволяющую использовать данный принцип с большой эффективностью. Основным недостатком современного оборудования является невозможность с помощью ЭЗ вырабатывать энергию в супер огромном количестве даже в условиях применения сильнолегированных металлов с высокой разностью температур.

Научные деятели предложили прибегнуть к немагнитным проводникам, которые можно устанавливать во внешнее магнитное поле с температурными пределами 2-20 К. В данном случае должен возникнуть огромный спиновый эффект Зеебека. Применение таких термических измерителей даст возможность значительно увеличить показания используемых приборов, расширить их функциональные возможности и сферы применения.

Самым простым примером является их применение в роли устройств для отвода тепла в системах кондиционирования и охлаждения. За счет того, что движущиеся частицы в данном случае будут отсутствовать, а дешевые материалы для их функционирования будут работоспособными много лет — это чрезвычайно выгодно. Термопары нового поколения даже смогут выдавать ток для подпитки приборов, которые сами его выделяют. Их можно применять для охлаждения компьютерного процессора. А спиновой эффект можно будет использовать для производства электронных устройств нового поколения.

Эффект Зеебека: описание, объяснение и использование

Основной способ добычи электричества в большом количестве в настоящее время осуществляется за счет явления электромагнитной индукции, которое предполагает механическое движение проводника в магнитном поле. Однако существует другой способ получения этого вида энергии: с помощью температуры. Чтобы понять, в чем заключается суть этого процесса, следует рассмотреть эффект Зеебека.

Термоэлектрические процессы

В физике под этой фразой понимают процессы обратимого характера, которые связаны с явлениями переноса заряда (электрический ток) и тепла (теплопроводность). Выделяют три разных термоэлектрических явления, которые связаны между собой. Это эффекты:

• Зеебека;
• Пельтье;
• Томсона (Кельвина).

Отметим, что эффект Джоуля, который заключается в излучении проводником тепла, когда по нему проходит ток, не включен в список выше, поскольку он является необратимым процессом.

Открытие Томаса Иоганна Зеебека

В 1821 году эстонско-немецкий физик Томас Зеебек провел один любопытный эксперимент: он соединил между собой две пластины, которые были изготовлены из разных материалов (висмут и медь) в замкнутый контур. Затем он нагрел один из контактов. Ученый наблюдал, что магнитная стрелка компаса, который находился поблизости от проводящего контура, начала изменять свое направление. В итоге ученый решил, что два материала (медь и висмут) поляризуются по-разному в результате действия тепла, поэтому определил открытый эффект как термомагнитный, а не термоэлектрический.

Впоследствии уже датский ученый Ханс Эрстед дал правильное объяснение открытому Зеебеком эффекту, назвав его термоэлектрическим процессом.

Суть открытого эффекта

Из пункта выше можно самостоятельно сделать вывод о том, что представляет собой это термоэлектрическое явление. Его суть заключается в следующем: если соединить два любых материала между собой в один контур и подвергнуть их контакты разности температуры, то в контуре потечет ток.

Заметим, что для наблюдения этого эффекта должны выполняться следующие условия:

• Наличие замкнутого контура (электрический ток не существует в разорванной цепи).
• Наличие контакта из двух разнородных металлов (если проводники, приводимые в контакт, будут сделаны из одного материала, то никакой разности потенциалов не будет наблюдаться). Этими материалами могут быть такие пары, как металл и другой металл, металл и полупроводник или два полупроводника разного типа (p и n).
• Наличие разности температур между двумя контактами проводников. Эта разность лежит в основе явления возникновения ЭДС (сила электродвижущая). Отметим, что нагревать (охлаждать) следует именно контакт двух материалов, а не какой-либо один из них.

Физическое объяснение эффекта

Описанный термоэлектрический эффект является достаточно непростым явлением. Для его понимания рассмотрим систему, состоящую из медного и железного проводников, соединенных между собой. Обратим внимание на процессы, которые происходят в зоне контакта Cu-Fe, которая нагревается. Приобретая дополнительную кинетическую энергию, электроны в области нагрева создают более высокое «давление» электронного газа, поэтому стремятся убежать из нее к более холодному концу контура. Наоборот, контакт Cu-Fe, который охлаждается, вызывает потерю кинетической энергии носителей заряда, это ведет к снижению создаваемого ими давления в зоне контакта. Последний факт приводит к привлечению в холодную область свободных носителей заряда.

Если бы металлы в контакте были одинаковыми, то скорости дрейфа электронов в результате разности температур были бы одинаковыми, а их направления в каждом проводнике — противоположными, то есть никакой разности потенциалов бы не возникло. Но поскольку металлы имеют разную природу, то они различным образом реагируют на нагрев (изменение «давления» электронов и скорость их дрейфа разные для Fe и Cu). В этом и заключается причина появления ЭДС в зоне контакта.

Отметим, что при объяснении физики процесса использовалась аналогия с идеальным газом.

Направление возникающего термотока, а также его величина определяются природой металлов, разницей температур контактов, а также особенностями самой электрической замкнутой цепи.

Если рассмотреть физику процесса для пары металл-полупроводник, то она не будет отличаться от таковой для рассмотренной пары металл-металл. Приложение разности температур к двум контактам металла с полупроводником вызывает в последнем поток электронов (n-тип) или дырок (p-тип) от горячей области к холодной, что приводит к появлению разности потенциалов.

Если не поддерживать разность температур за счет отвода тепла от холодной зоны и его подвода к горячему контакту, то в цепи быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и ток прекращает течь.

Математическое описание рассматриваемого явления

Разобравшись, в чем заключается эффект Зеебека, можно перейти к вопросу его математического описания. Здесь главной величиной является так называемый коэффициент Зеебека. Он выражается формулой:

Здесь V₂ и V₁ — значения электрических потенциалов в области горячего и холодного контактов, T₂-T₁ — разность температур этих контактов, A и B — это два материала рассматриваемой замкнутой цепи.

Физический смысл коэффициента S_AB заключается в том, что он показывает, какую ЭДС можно получить, если приложить разность температуры к контактам равную 1 кельвин. Типичные значения S_AB для современных термоэлектрических материалов равны несколько десятков или сотен микровольт на кельвин.

Коэффициент S_AB не является постоянной величиной для проводников A и B, он зависит от температуры.

КПД процесса

Это самый интересный и актуальный вопрос, который касается рассмотренного термоэлектрического эффекта. Если, приложив разность температур к цепи, можно получать электричество, тогда это явление можно использовать вместо распространенных генераторов, основанных на электромагнитной индукции. Этот вывод верен, если КПД эффекта Зеебека достаточно высок.

Для оценки КПД принято использовать следующее выражение:

Здесь ρ — удельное электрическое сопротивление, λ — коэффициент теплопроводности, Z — фактор эффективности термоэлектрического явления.

Понять это выражение несложно: чем больше коэффициент Зеебека, чем выше подвижность носителей заряда (меньше сопротивление) и чем меньше теплопроводность материала (она способствует выравниванию градиента температуры за счет переноса заряда и за счет движения фононов решетки), тем будет выше производительность цепи как генератора электричества.

Значения Z*T для металлов обычно невысоки, поскольку величина λ является большой. С другой стороны, изоляторы также нельзя использовать из-за их огромных значений ρ. Золотой серединой стало применение полупроводников.

В настоящее время для разных температур получены значения Z*T≈1, что означает следующее: примерно 10 % от затрачиваемого тепла переходит в электрическую энергию (КПД = 10 %). Чтобы этот эффект по эффективности выработки электричества мог конкурировать с современными способами его получения, необходимо разрабатывать материалы, для которых Z*T будет составлять 3-4.

Где используют этот эффект

Самым популярным направлением его использования являются инструменты для измерения температуры, которые называются термопарами. Если температура одного конца термопары известна (комнатная), то, погрузив ее второй конец в тело, температуру которого следует определить, и измеряя при этом полученную ЭДС, можно легко найти неизвестную величину.

Согласно последним новостям, две немецких автомобильных компании (Volkswagen и BMW) заявляют, что начали применять этот эффект для повышения КПД бензинового двигателя. Идея заключается в использовании выбрасываемого из выхлопной трубы тепла для генерации термоэлектричества. По заявлениям представителей этих компаний, таким способом они уже смогли уменьшить расход бензина на 5 %.

Серия зондов «Вояджер», миссия которых заключается в изучении окружающего нас космоса, использует для питания своей электроники эффект Зеебека. Дело в том, что солнечные батареи за пределами орбиты Марса использовать нельзя ввиду низкой плотности энергии от Солнца. На борту «Вояджера» установлен термоэлектрический генератор на изотопах плутония: радиоактивный оксид плутония распадается с выделением теплоты, которая используется парой полупроводниковых материалов (SiGe) для преобразования в электричество.

Спиновый эффект

Недавно ученые открыли интересное явление: если нагревать магнитный контакт пары Ni-Fe, то спины электронов во всем материале ориентируются определенным образом, что создает магнитное поле. Это явление получило название спинового эффекта Зеебека. Его можно использовать для создания магнитных полей без участия электрического тока.

Эффект Пельтье

Так называется явление, которое было открыто в 1834 году французом Жаном Пельтье. Его суть заключается в том, что если через контакт разных материалов пропускать электрический ток, то он будет либо нагреваться, либо охлаждаться в зависимости от направления движения носителей заряда. Его используют в так называемой ячейке Пельтье, способной нагревать или охлаждать окружающие объекты, например, воду, когда ее подключают к разности потенциалов (электрической цепи).

Таким образом, эффекты Пельтье и Зеебека обратны друг другу.

Эффект Томсона (Кельвина)

Он также входит в список термоэлектрических явлений. Открыл его лорд Кельвин (Уильям Томсон) в 1851 году. Он объединяет явления, наблюдаемые Пельтье и Зеебеком. Суть эффекта Томсона следующая: если на концах проводника создать разную температуру, а затем приложить к ним напряжение, то проводник начнет обмениваться теплом с окружающей средой. То есть он может не только его выделять, но и поглощать, что зависит от полярности потенциалов и разности температур на концах.

Отличие этого эффекта от двух предыдущих заключается в том, что он реализуется на одном, а не на двух разных проводниках.