Элемент штерна зеебека своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

Эффект Зеебека (ЭЗ) представляет процесс появления разницы потенциалов вместе соединения двух разных материалов вследствие нагревания указанной области. Данный эффект был получен Зеебеком в 1822 году. Именно тогда он провел опыт нагревания контакта из двух материалов, используя для этого висмут и сурьму. Для фиксирования получаемых изменений был использован гальванометр. Придерживая стык соединенных материалов, он увидел, что магнитная стрелка отклонилась от начального положения. Естественно, что разница была не такой заметной. Однако опыты повторялись вновь и вновь, благодаря чему удалось получить требуемый результат.

Указанный эффект появился вследствие появления электрической движущей силы в замкнутом контуре, выполненном из разных материалов. Чуть позже выяснилось, что различие температур вызывается появлением термоэдс. А уже следствием термоэдс в замкнутом контуре становится электрический ток. Сегодня данный эффект находит применение во многих областях. Но наибольшее его применение в современном мире можно наглядно увидеть в термопарах.

Устройство

Эффект Зеебека заключается в создании термопары, которая состоит из двух разнородных металлов, образующих друг с другом замкнутый контур. Металлы друг от друга отличаются разными коэффициентами Зеебека, вследствие чего возникает напряжение между нагретым проводником термопары и ненагретым проводником. Это напряжение прямо пропорционально разности их температурных значений.

Во многих термоэлектрических устройствах применяется эффект Зеебека. В большинстве случаев в структуру термоэлектрических генераторов включаются термобатареи, которые набираются из полупроводниковых термических элементов. Они могут соединяться параллельно либо последовательно. Также туда входят теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термических батарей.

Типичная схема цепи термоэлектрического генератора состоит из:

Термоэлемента полупроводникового типа, который выполнен из ветвей контактов p- и n-типа проводимости. Эти контакты имеют различные знаки коэффициента термоэлектродвижущей силы.
Пластин коммутации, которые имеют нагреваемые и ненагреваемые спаи.
Активной нагрузки.

При включении термоэлемента на нагрузку в контуре начинает течь постоянный ток, который вызван ЭЗ. Именно этот же ток приводит к поглощению и выделению тепла на спайках. Чтобы обеспечить высокий коэффициент ЭДС, подобные полупроводниковые материалы должны выделяться отличной электрической проводимостью. А для получения существенного перепада температур между нагретыми и ненагретыми спаями, достаточно невысокую теплопроводность.

Под такие параметры наилучшим образом подходят высоколегированные материалы.

Принцип действия

Эффект Зеебека в том, что в замкнутом контуре с жилами из разных материалов, может появиться эдс тогда, когда их контакты имеют отличающиеся показатели температуры. Если говорить по-простому, то параметр возникающей ЭДС во многом зависит от применяемых материалов проводников, в том числе от температур ненагретого и нагретого проводника.

При наличии в проводнике градиента температур по всей длине наблюдается явление, при котором электроны на нагретом конце имеют на порядок большие скорости и энергии, чем в не нагретом. Вследствие этого появляются электроны, которые направляются к холодному концу. Именно на нем скапливается минусовой заряд. На нагретом же конце происходит накапливание плюсового заряда.

Накопление заряда наблюдается до того момента, пока потенциальное отличие не достигнет показателя, при котором электроны не начнут течь обратно, вследствие чего потенциал придет в равновесие.

Эффект Зеебека характеризуется появлением различных свойств:

Наблюдается появление разности потенциалов между контактами. Объясняется это тем, что на разных проводниках, которые контактируют друг с другом, имеется разная энергия Ферми. В результате при замыкании цепи потенциалы электронов имеют одинаковое состояние, вследствие чего появляется разность потенциалов между контактами. На контактах появляется электрическое поле, которое локализуется в тончайшем приграничном слое.

При замыкании цепи появляется напряжение на проводниках. Направление электрического поля идет в обоих контактах от большего к меньшему. Если температура контактов изменить, то напряжение также будет меняться. Но с изменением разности потенциалов будет меняться и электрическое поле в одном из контактов. В результате появится ЭДС в контуре. Если проводники будут иметь равную температуру, то объемная и контактная ЭДС в указанном случае будут равны нулю.

Наблюдается появление фононового увлечения. При наличии в твердом теле градиента температурного диапазона число фононов, которые направляются в конец ненагретого проводника, будет увеличиваться. Их будет становиться больше, чем тех, что идут в обратном направлении. Вследствие происходящих столкновений с электронами фононы будут утягивать вслед за собой другие. В результате на нагретом проводнике будет происходить накопление отрицательного заряда. Тогда как в нагретом проводнике будут накапливаться положительные заряды до того момента, пока разность потенциалов не сравняется с эффектом увеличения. Разность потенциалов при низких температурах способна достигать параметров выше в сотни раз.
Наблюдается появление магнонного увлечения, но только в проводниках, выполненных из магнитных материалов. ЭДС появляется вследствие увлечения электронов магнонами.

Практическое применение

Такие устройства находят обширное применение в повседневной жизни человека. К примеру, посещая сауну, мало кто задумывается, что температура в ней поддерживается при помощи термопары.

То есть термопара — это термоэлектрический термометр, который выполнен из двух разных металлов. Они соединяются при помощи сварки. При этом один конец размещается непосредственно в сауне, а другие свободные концы выводятся наружу и подключаются к мерительному устройству. Когда печь нагревает помещение сауны, то концы термопары работают в совершенно разных температурных значениях. В результате этого появляется температурный градиент, который ведет к появлению термического тока, то есть термоэлектродвижущей силы.

Применение

Эффект Зеебека на сегодняшний день применяется в самых разных устройствах. Примером этому могут быть сенсоры напряжения, датчики температуры, датчики давления газа, термоэлектрогенераторы, датчики интенсивности света и тому подобное.

Сегодня устройства, которые работают на ЭЗ, используются в:

Навигационных системах кораблей и пароходов, бороздящих моря и океаны.
Промышленных и бытовых генераторах.
Устройствах энергетического обеспечения космических кораблей.
Преобразователях солнечной энергии.
Отопительных устройствах.
Устройствах, используемых в оборудовании для перекачки и переработки газа, и нефти.
Преобразователях тепла, которое вырабатывают источники природы. К примеру, это могут быть источники геотермальной воды.
Космических зондах, которые летят по просторам вселенной.
Различных термоэлектрических датчиках и так далее.

Будущее

Эффект Зеебека довольно сильно интересует ученых. Сравнительно недавно ученые из Огайо разработали технологию, которая позволяет сделать эффект невероятно эффективным. Основным недостатком современных устройств в том, что данный эффект не позволяет вырабатывать значительное количество энергии даже при использовании сильнолегированных контактов и имеющих высокую разность температур.

Ученые предлагают использовать немагнитный полупроводник, который устанавливается во внешнее магнитное поле с температурой в пределах 2-20 К. В этом случае появляется гигантский спиновый эффект Зеебека. Использование подобных термопар дает возможность существенно увеличить показатели применяемых устройств, расширить их функциональность и применение.

Самый простой пример – это их использование в качестве теплоотводящих устройств в системах кондиционирования и охлаждения. Благодаря отсутствию движущихся частей и дешевизне применяемых элементов оборудование будет работать безотказно десятками лет, а стоимость эксплуатации будет невероятно низкой. Такие термопары даже смогут вырабатывать ток из тепла для подпитки устройства, которое его выделяет. К примеру, их можно использовать для охлаждения персонального компьютера. А спиновой эффект может быть использован для создания электроники нового поколения.

Термоэлектрический эффект Зеебека: что это такое? Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы

Если два бруска изготовленных из разных металлов плотно прижать друг к другу, то на их контакте сформируется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов.

Данное явление обусловлено различием в величинах работ выхода электронов из металла, характерных для каждого из двух контактирующих металлов. Работой выхода электронов из металла (или просто работой выхода) называют работу, которую необходимо затратить на то, чтобы переместить электрон из поверхности металла в окружающий вакуум.

Практически, чем больше значение работы выхода — тем меньше вероятность того, что электроны смогут перейти границу раздела. В результате получается, что на той стороне контакта, где находится металл с большей (!) работой выхода скапливается отрицательный заряд, а на стороне металла с меньшей работой выхода — положительный.

Итальянский физик Алессандро Вольта наблюдал это явление и описал его. Из опыта он вывел два закона, известных сегодня как законы Вольта.

Первый закон Вольта звучит так: на контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев.

Второй закон Вольта: разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре.

С позиции классической электронной теории необычные результаты эксперимента Вольта объясняются довольно просто. Если принять за ноль потенциал за пределами металла, то внутри металла с потенциалом ?i энергия электрона относительно вакуума будет равна:

Приведя в контакт два разных металла с работами выхода А1 и А2, будем наблюдать избыточный переход электронов из второго металла, с меньшей работой выхода, в первый металл, работа выхода из которого больше.

В результате этого перехода концентрация (n1) электронов в первом металле увеличится по сравнению с концентрацией электронов во втором металле (n2), что как раз и породит обратный избыточный диффузный поток электронного газа, направленный противоположно потоку, обусловленному различием работ выхода.

В состоянии равновесия на границе двух металлов установится следующая разность потенциалов:

Значение установившейся разности потенциалов можно определить так:

Данное явление, при котором возникает контактная разность потенциалов, очевидно зависящая от температуры, именуется термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. На эффекте Зеебека основана работа термопар и термоэлектрических генераторов.

Термопара состоит из двух спаев двух разных металлов. Если один из спаев поддерживать при более высокой температуре чем другой, то на выводах термопары возникнет термоЭДС:

Термопары служат для измерения температуры, а батареи, набранные из множества термопар, могут применяться в качестве источников ЭДС и даже термоэлектрических генераторов.

В термоэлектрическом генераторе при нагревании спая двух разных металлов, между свободными выводами, находящимися при более низкой температуре, возникает термоэлектрическая разность потенциалов или термоЭДС. И если замкнуть такую цепь на сопротивление, то в цепи потечет ток, то есть будет происходить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую.

Коэффициент термоЭДС, как говорил Вольта, зависит от природы металлов входящих в данную термопару. Значения термоЭДС для разных термопар измеряются в микровольтах на градус.

Если взять проводник в форме кольца, составленный из двух разных металлов А и Б, соединенных в двух местах, и нагреть одно из мест соединения до температуры Т1, так чтобы температура Т1 получилась больше чем Т2 (температура второго соединения), то в горячем контакте ток будет направлен из металла Б в металл А, а в холодном — из металла А в металл Б. ТермоЭДС металла А считают в этом случае положительной относительно металла Б.

Все известные металлы обладают собственными значениями коэффициентов термоЭДС, их можно расположить последовательно в столбец, так чтобы каждый металл показывал положительную термоЭДС по отношению к нижеследующему.

Вот, например, список термоЭДС (выраженных в милливольтах), которые получатся при соединении указанных металлов в паре с платиной при разности температур контактов в 100 градусов:

С помощью приведенных данных можно определить, какая термоЭДС получится если соединить, например, медь с алюминием и поддерживать разность температур контактов в 100 градусов. Достаточно вычесть меньшее значение термоЭДС из большего. Так, пара медь-алюминий при разнице температур в 100 градусов даст термоЭДС равную 0,74 — 0,38 = 0,36 (мВ).

Термоэлектрические генераторы на чистых металлах не эффективны (их КПД около 1%), поэтому они не получили широкого распространения. Однако стоит отметить полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, показывающие КПД до 7%.

Подобные устройства применимы в качестве альтернативных источников энергии на удаленных объектах: маяках, метеостанциях, космических аппаратах, навигационных буях, активных ретрансляторах, станциях антикоррозийной защиты нефте- и газопроводов.

Главные преимущества термоэлектрических генераторов заключаются в отсутствии движущихся частей, бесшумной работе, сравнительно небольших размерах и простоте настройки. Однако главный их недостаток — чрезвычайно низкий КПД в районе 6%, нивелирует эти достоинства.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа.

50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось:

Подключаем воду к охладителю к одной стороне элемента Пельтье, а другую ставим на конфорку. К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат - наш генератор работает !

Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.

Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.

Да, как говорится - если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone ещё в `85 изобрели бы ! :-)

В такой "ковшик" наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там "зарыт" Пельтье

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии - радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, "бросового" тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности - от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т.п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В - 6 В - 9В -12В и переходники для зарядных устройств.

В физике и электротехнике существует понятие термоэлектрического эффекта, известного также, как эффект Зеебека. Данное явление представляет собой образование электродвижущей силы внутри электропроводящей замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников. Они изготавливаются из термоэлектрических материалов и соединяются последовательно между собой. Основным условием возникновения эффекта является разница температур, образующихся на спаях. Существует процесс, обратный термоэлектрическому эффекту, называемый эффектом Пельтье.

Термоэлектрические устройства и применение эффекта Зеебека

Термоэлектрическими материалами чаще всего являются сплавы, свойства которых похожи на полупроводниковые. К этой же категории можно отнести и некоторые химические соединения со специфическими параметрами, делающими их пригодными для использования в термоэлектрических устройствах.

Существуют три основных варианта применения эффекта Зеебека в различных конструкциях и устройствах:

Термоэлектрические генераторы.
Термоэлектрические холодильники.
Измерители температур в широком диапазоне: от абсолютного нуля до нескольких тысяч градусов по Кельвину.

Незначительная разница температур между спаями, как показали опыты, приводит к появлению термоэлектродвижущей силы, которая пропорциональна температурной разнице элементов, включенных в цепь. Однородные проводники, работающие по закону Ома, имеются в любой диаде. В свою очередь, в ней возникает термоэлектродвижущая сила, которая определяется свойствами проводников и разницей температур. При этом, распределение температуры между контактами не играет какой-либо решающей роли. Это и есть термоэлектрический эффект Зеебека.

Если цепь состоит всего лишь из двух разных проводников, то данная комбинация будет называться термопарой. Уровень термо-ЭДС в этом случае зависит от материалов проводников и разницы температур между контактами. В большинстве случаев термопара применяется для определения температурных значений. Измерения до 1400 градусов по Кельвину может производится измерителями, в состав которых входят неблагородные элементы. При температуре 1900 градусов и выше потребуются металлы платиновой группы. Для специальных измерителей очень высоких температур применяются особые жаростойкие сплавы.

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется с помощью термоэлектрических генераторов. Основной рабочий процесс этих устройств также связан с эффектом Зеебека. За счет этого может преобразовываться даже сбросовая тепловая энергия, выделяемая двигателями машин. Полученная таким путем электроэнергия используется по своему назначению для питания различных устройств.

Преимуществами таких генераторов является продолжительный срок эксплуатации и возможность их хранения в нерабочем состоянии без каких-либо ограничений. Они отличаются надежностью и устойчивым режимом работы, полностью устраняют риск коротких замыканий. Работа этих устройств абсолютно бесшумна, так как в их конструкции не содержатся подвижные элементы.

Широкого применения эти устройства не получили только по причине низкого коэффициента эффективности, составляющего 3-8%. Однако при отсутствии обычных ЛЭП и низкой предполагаемой нагрузке, использование таких генераторов будет вполне оправданным. В результате, эффект Зеебека применение нашел в области энергообеспечения космической техники, в преобразователях солнечной энергии, отопительных системах и многих других областях, где использование традиционных источников электроэнергии не представляется возможным.

Эффект Зеебека и Пельтье

Суть эффекта Зеебека заключается в образовании электродвижущей силы в электрическом контуре, в состав которого входят проводники А и В, контакты которых обладают разными температурами Т₁ и Т₂. Данные свойства позволяют выполнять прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека, формула которого определяет термо-ЭДС контура: где значения S_A и S_B являются абсолютными термоэлектродвижущими силами проводников А и В. Абсолютная термо-ЭДС относится к одной из характеристик проводника и представляет собой S=du/dT, где u является электродвижущей силой, возникающей в проводнике при наличии в нем разницы температур. Таким образом, теоретические основы эффекта Зеебека тесным образом связаны с температурными перепадами.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

В случае неодинакового типа проводимости, полупроводников присутствующих в термопаре, эффект Пельтье будет выглядеть несколько иначе. При попадании в р-материал, электрон занимает место дырки на энергетическом уровне. В результате, у него теряется кинетическая энергия движения и наступает изменение состояния. Высвобожденная энергия способствует образованию свободных носителей с обеих сторон р-п-перехода, а оставшаяся часть уходит на кристаллическую решетку, которая и вызывает нагрев. Если в начальный момент значение энергии меньше, то спай начнет охлаждаться.

Читайте также: