Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Термоэлектрические явления стали известны благодаря таким открытиям, как эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона. Термоэлектрические устройства позволяют получить электрическую энергию путём преобразования инфракрасных фотонов в ток. Преимущества использования таких устройств в области производства электроэнергии очевидны и многообразны. Фактически тепловая энергия доступна повсеместно за некоторым исключением, а для выработки электроэнергии достаточно иметь разность температур ΔT.

Термоэлектрические устройства и преимущественные стороны

Практика показывает: солнечная энергия доступна только в ясные дни, гидравлическая энергия требует водных источников, электрические генераторы требуют ископаемого топлива (нефть, уголь, природный газ). В свою очередь, тепловая энергия в некоторых случаях остаётся практически неисчерпаемой, тем более в условиях низкого энергопотребления.

Например, термоэлектрические устройства могут использовать тепло тела человека, обеспечивая неограниченное время работы некоторых медицинских систем. Среди возможных примеров:

  • доставка лекарств,
  • непрерывная диагностика,
  • мониторинг жизненно важных функций.

Другое явное преимущество заключается в том, что термоэлектрические устройства представляют надёжные конструкции, не требуют обслуживания, не используют движущиеся части или жидкости. Здесь налицо прямое преобразование энергии.

Термоэлектрический эффект допустимо применять в самых разных случаях. Среди примеров:

  • микроохлаждение,
  • микронагревание,
  • питание источников света.

При этом возможна рекуперация потраченной впустую тепловой энергии от солнечных батарей, двигателей, заводских или других систем отвода тепла. Преимущества применения термоэлектрических устройств в биомедицине легко объяснить лёгким весом, возможностью обеспечивать неограниченную мощность от тепла тела, безопасностью использования, стабильностью и надежностью.

Wi-Fi камера + цифровой зумДжамп стартер ютрейсДрель компакт автоном 18 вольт

Каким явлением отмечается эффект Зеебека?

Немец по происхождению — Томас Иоганн Зеебек, изучавший физику, в рамках проводимых экспериментов отметил интересное явление. В условиях соединения пары разных материалов, в точке соединения при разных температурах проявляется разница электрических напряжений. Немецким физиком было также обнаружено, что получаемые электрические напряжения пропорциональны разнице температур. Это физическое явление впоследствии получило определение — эффект Зеебека.

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека
Схематичный пример наглядно показывает эффект Зеебека, выражающийся получением напряжения от разницы температур на переходах спая двух разных материалов

Таким образом, отношение генерируемого напряжения к градиенту температуры определяется внутренними свойствами материала. То есть имеет место тот самый коэффициент Зеебека, который можно выразить формулой:

S = — ΔV / ΔT

Разница температур приводит к перемещению подвижных носителей заряда (электронов или дырок) в область холодного спая и остатку противоположно заряженных и неподвижных ядер в области горячего спая. Движение заряда приводит к повышению термоэлектрического напряжения. Создаваемое термоэлектрическое напряжение, соответственно, определяется уравнением:

V = (SA — SB) * ∆T

где SA и SB — коэффициенты Зеебека материалов A и B, соответственно, а ∆T — разность температур между переходами.

Каким явлением отмечается эффект Пельтье?

Кроме отмеченного выше эффекта, термоэлектрическим устройствам присущ также эффект Пельтье. Этим эффект характеризуется электрический ток, проходящий через соединение двух разнородных материалов, в концепции генерации или поглощения тепла, что определяется направлением тока. Эффект Пельтье обусловлен разницей энергий Ферми двух материалов. Теплота Пельтье, поглощаемая или отклоняемая переходом, определяется математическим уравнением:

dQ / dT = (ПА — ПВ)

где ПА и ПВ — коэффициенты Пельтье для материалов A и B, соответственно, I — ток, пропускаемый через материалы.

Фактически коэффициент Пельтье определяет количество тепла, поглощаемого материалом при прохождении через материал электрического тока.

Каким явлением отмечается эффект Томсона?

Не менее важным для термоэлектрических устройство отмечается также эффект Томсона. По сути, здесь имеет место комбинация эффекта Зеебека и эффекта Пельтье. Это физическое явление обнаружил британский физик Уильям Томсон (1854 год).

Для этого явления характерным моментом видится то, что любой проводник тока с разницей температур между двумя точками, либо поглощает, либо излучает тепло в зависимости от свойств материала. Поглощенное или испускаемое тепло характеризуется теплотой Томсона (Q) и определяется математическим уравнением:

Q = (pJ2 – µ*J) * ∆T / dx

где ρ — удельное сопротивление материала, ∆T /dx — градиент температуры вдоль проводника, J — плотность тока, μ* — коэффициент Томсона.

Математический член ρJ2 в данном случае определяет джоулевый нагрев (необратимый), тогда как второй математический член µ*J — томсоновский нагрев, знак которого меняется с направлением электрического тока.

Анализ поведения на термоэлектрические устройства

С целью оценки характеристик термоэлектрических материалов в обращение введена так называемая безразмерная единица добротности. Показатель добротности определяется уравнением:

ZT = ꝍS2T / k

где σ, S, k – это электропроводность, коэффициент Зеебека, теплопроводность материала, соответственно.

Следовательно, качественный термоэлектрический материал должен иметь высокие значения, как электропроводности, так и коэффициента Зеебека, но низкие значения теплопроводности.

Высокая электрическая проводимость уменьшает джоулевую теплоту и увеличивает генерируемое термоэлектрическое напряжение. Одновременно низкая теплопроводность способствует снижению передачи тепла между спаями. Термоэлектрическое устройство состоит, как правило, из термоэлектрических пар, содержащих материалы p-типа и n-типа.

Термоэлектрические устройства - генератор современной конструкции
Пример на современные термоэлектрические устройства: 1 — торцевая крышка; 2 — биметаллическая заглушка заправочной горловины; 3 — точка подъёма GSE; 4 — корпус алюминий; 5 — рёбра охлаждения; 6 — термоэлектрический модуль; 7 — интерфейс платы GPHS; 8 — торцевая крышка; 9 — изоляция; 10 — разъём в сборе; 11 — источник тепла; 12 — петля охлаждения; 13 — источник тепла линии изоляции; 14 — гелевый вентилятор; 15 — воздуходувные меха

Обладающий большим коэффициентом Зеебека материал, обычно имеет высокую эффективную массу и низкую концентрацию носителей. Именно по этой причине полупроводники имеют большие коэффициенты Зеебека по сравнению с металлами.

Выбор термоэлектрического материала зависит от добротности, которая, в свою очередь, зависит от коэффициента Зеебека и проводимости. Металлы обладают высокой электропроводностью, но имеют относительно низкий коэффициент Зеебека, что сопровождается низкой добротностью.

Следовательно, металлы нельзя считать удачными материалами для термоэлектрических устройств. С другой стороны, изоляторы обладают высоким коэффициентом Зеебека, но демонстрируют крайне низкую электропроводность. Это также сопровождается малой добротностью, что делает изоляторы непригодными для термоэлектрических устройств.

 

Между тем, полупроводники, в отличие от изоляторов и металлов, обладают высокими показателями добротности. Обусловлено это, как высокой электропроводностью полупроводников, так и относительно высоким коэффициентом Зеебека. Таким образом, полупроводники следует рассматривать наиболее подходящими элементами термоэлектрических устройств.


При помощи информации: NIU