Термоелектрически ефект: Разлика между версии
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
м →Движение на зарядите: replaced: най- → най- редактирано с AWB |
м форматиране: 11x тире, 2x нов ред, 5 интервала, запетая, интервал (ползвайки Advisor) |
||
Ред 8:
'''Ефект на Зеебек''' се нарича преобразуването на температурните разлики директно в [[електричество]]. Този ефект за първи път е открит случайно от германско-естонския физик [[Томас Йохан Зеебек]] през [[1821]], който открил, че между двата края на метална пръчка се появява напрежение, когато в нея съществува температурна разлика Δ''T''.
Той също така открил, че магнитната стрелка се отклонява, ако се
Ефектът е, че при наличието на температурна разлика между два различни метала или полупроводници се създава напрежение или термоелектрична [[електродвижеща сила|ЕДС]]. Това предизвиква протичането на постоянен ток в контура. Създаденото напрежение е от порядъка на няколко [[волт|микроволта]] за един градус Целзий температурна разлика.
Ред 24:
:<math>V = (S_\mathrm{B} - S_\mathrm{A}) \cdot (T_2 - T_1)</math>
Тази [[термодвойка]] измерва разликата в потенциалите, предизвикани от различните проводници. Тя може да бъде използвана за измерване на температурна разлика директно, или да се измерва една абсолютна температура, установявайки единия край в една известна температура. Няколко последователни термодвойки
Това също е принципа на работа на термодиодите и [[Термогенератор|термоелектрическите генератори]] (радиоизотопните термоелектрически генератори), използвани за създаването на електрическа мощност от разликата в температурите.
Ред 32:
=== Термична мощност ===
'''Термичната мощност''', или [[термоелектрическа мощност]], или [[коефициент на Зеебек]] за един материал отчита отношението на индуцираното термоелектрическо напрежение към температурната разлика. Термоелектрическата мощност се измерва в <math>(V/K)</math>.
Терминът термомощност се използва неправилно, тъй като отчита напрежението на едно електрическо поле (не електрическа мощност) предизвикано от температурна разлика. Приложената температурна разлика предизвиква движение на заредени носители в материала, били те електрони или „дупки“, които преминават от топлия край към студения - процес много напомнящ процесите в разширяващ се газ следствие нагряване. Подвижните заредени носители, преминаващи в студения край остават след себе си противоположно заредени и неподвижни ядра в топлия край, което предизвиква повишаване на термоелектрическото напрежение (термоелектричеството се дължи на създаденото напрежение от температурната разлика). Увеличаването на заредените носители на студения край в един момент престава при някаква максимално стойност, вследствие наличието на еднакво количество на заредени носители движещи се обратно към топлия край т.е. имаме равновесие. Само едно нарастване в температурната разлика може да поднови нарастването на заредени носители към студения край и съответно това води до увеличаване на термоелектрическото напрежение.▼
▲Терминът термомощност се използва неправилно, тъй като отчита напрежението на едно електрическо поле (не електрическа мощност) предизвикано от температурна разлика. Приложената температурна разлика предизвиква движение на заредени носители в материала, били те електрони или „дупки“, които преминават от топлия край към студения
Термоелектрическата мощност на един материал, представена като <math>S</math>, зависи от температурата на материла, и кристалната му структура. Обикновено металите имат малка термоелектрическа мощност, поради това че в повечето валентната зона и зоната на проводимостта се застъпват. Електроните (отрицателните заряди)и дупките(положителните)заедно участват в индуктираното термоелектрическо напрежение противодействайки си, като по този начин го правят твърде малко. Обратно, при полупроводниците може да има неравновесие на електрони или дупки и по този начин да има големи положителни или отрицателни стойности на термоелектрическа мощност зависеща от заряда на преобладаващите носители. Знака на термоелектрическата мощност определя кои заряди преобладават.▼
▲Термоелектрическата мощност на един материал, представена като <math>S</math>, зависи от температурата на материла, и кристалната му структура. Обикновено металите имат малка термоелектрическа мощност, поради това че в повечето валентната зона и зоната на проводимостта се застъпват. Електроните (отрицателните заряди) и дупките (положителните) заедно участват в индуктираното термоелектрическо напрежение противодействайки си, като по този начин го правят твърде малко. Обратно, при полупроводниците може да има неравновесие на електрони или дупки и по този начин да има големи положителни или отрицателни стойности на термоелектрическа мощност зависеща от заряда на преобладаващите носители. Знака на термоелектрическата мощност определя кои заряди преобладават.
Ако температурната разлика <math> \Delta T </math> между двата края на материала е малка, тогава термоелектрическата му мощност се определя така:
Line 55 ⟶ 56:
Термоелектрическата мощност е важен параметър на материалите показващ ефективността на термоелектическия материал. По-голямото индуктирано напрежение за даден температурен клас материал ще доведе до по-голяма ефикасност. В идеалния случай много малка температура ще води до голямо индуктирано напрежение.
=== Движение на зарядите ===
[[File:Thermoelectric cooler.gif|thumb|Термоелектрически охладител]]
[[File:Thermoelectric Generator.gif|thumb|Термоелектрически генератор]]
Зарядите в материалите (електроните в метала, електрони и дупки в полупроводниците, йони в йонизираните проводници) ще се преместят, когато единия край на проводника е с различна температура в сравнение с другия. Горещите заряди се преместват от горещия край към студения, тъй като там има по-ниска плътност на горещи носители. Студените носители преминават от студения към горещия край по същата причина.
Ако проводник бъде оставен да достигне термодинамично равновесие, топлината ще се разпространи навсякъде равномерно в проводника. Движението на топлината (под формата на топло заредени носители) от единия край до другия се нарича топлинен поток. Понеже заредените носители се движат това също е и електрически ток.
В система, в която двата края са с постоянна температура имаме постоянен равномерен поток на топлинни носители. Обаче, този поток не е абсолютно равномерен поради наличието на частици от други материали, нееднаквост на стурктурата, и вибрации на кристалната решетка (фонони). Ако разпръскването е енергийно зависимо, топлите и студените носители ще се движат с различни скорости. Това създава различна плътност в единия край на материала, а разстоянието между положителните и отрицателните заряди ще предизвика потенциална разлика
Електрическото поле, обаче се противопоставя на неравномерното движение на носителите, и в един момент ще настъпи равновесие защото носителите породени от електрическото поле ще се изравнят с тези породени от температурната разлика.
Line 69 ⟶ 70:
=== Влияние на фононите ===
Фононите не винаги са в термично равновеси; движението им варира. Те губят кинетична енергия при взаимодействие с електрони (или други носители), а също и заради несъвършенство на кристала. Ако взаимодействието между фонони и електрони доминира, фононите ще се стремят да избутат електроните към края на материала загубвайки по този начин инерцията си. Това допълнително допринася за съществуващото термоелектрическо поле. Това взаимодействие по-важно в температурни области, където електрон-фононното изблъскване е преобладаващо. Това се случва при:
:<math>T \approx {1 \over 5} \theta_\mathrm{D}</math>
Line 78 ⟶ 79:
== Ефект на Пелтие ==
Ефектът на Пелтие е обратен на ефекта на Зеебек
Ефектът се проявява, когато ток премине през два различни (по състав) метала или полупроводника. Токът задвижва поток от топлина от единия метал към другия: единият се охлажда, а другият се нагрява. Ефектът се използва по-често за охлаждане. Ефектът е бил открит през 1834 г. от [[Жан Пелтие]], 13 години след първоначалното откритие на Зеебек.
Line 84 ⟶ 85:
[[Image:Peltier effect circuit.png]]
При протичане на ток през веригата топлината, излъчена от горното съединение (at T<sub>2</sub>), се поема от долното (at T<sub>1</sub>). Топлината, поета от долното съединение за единица време
:<math>\dot{Q} = \Pi_\mathrm{AB} I = \left( \Pi_\mathrm{B} - \Pi_\mathrm{A} \right) I</math>
Line 92 ⟶ 93:
Коефициентът на Пелтие показва колко топлинен поток е пренесен за единица заряд през даден материал.
Понеже зарядният ток трябва да е непрекъснат през мястото на свързване, свързаният топлинен поток ще предизвика прекъсване, ако Π<sub>A</sub> и Π<sub>B</sub> са различни. Това предизвиква различно от нула отклонение в съединението и така топлината трябва да се натрупа или изчерпи там в зависимост от знака на тока. Друг начин да разберем как този ефект може да охлади съединението е да забележим това, че когато електроните текат от регион с висока плътност към област с ниска плътност, те се
Едно интересно следствие на този ефект е, че посоката на топлинния поток е контролирана от посоката на тока.
Line 115 ⟶ 116:
''μ'' е коефициента на Томсън.
Първия израз ''ρ J²'' е просто
Втория израз е топлина на Томсън, който си сменя знака когато ''J'' си смени знака.
Line 121 ⟶ 122:
В метали като например цинк и мед, които имат един по-топъл край с по-висок потенциал и един по-студен край с по-нисък потенциал, когато тока се движи от по-топлия към по-студения край, той се движи от по-високия към по-ниския потенциал, така че има излъчване на енергия. Това се нарича '''положителен ефект на Томсън'''.
В метали като кобалт, никел и желязо, които имат по-студен край и по-висок потенциал и по-топъл край при по
== Взаимовръзки при ефекта на Томсън ==
Ефектът на Зеебек всъщност е комбинация от ефекта на Томсън и ефекта на Пелтие. Всъщност, в 1854 г. Томсън открил две взаимовръзки, в днешни дни наричани взаимовръзки на Томсън или Келвин, между съответните коефициенти. Абсолютната температура ''T'', коефициента на Пелтие <math>\Pi</math> и коефициента на Зеебек ''S'' са свързани с първата зависимост на Томсън
Ред 134:
== Патенти ==
* {{US patent|2510397}}
* {{US patent|2881384}}
* {{US patent|2915652}}
* {{US patent|3175105}}
== Източници ==
* {{cite book | author=Besançon, Robert M. | title=The Encyclopedia of Physics, Third Edition | publisher=Van Nostrand Reinhold Company | year=1985 | id=ISBN 0-442-25778-3}}
* {{cite book | title=Thermoelectrics Handbook:Macro to Nano|publisher=Taylor & Francis|year=2006|id=ISBN 0-8493-2264-2|editor=Rowe, D. M.}}
* {{cite book | author=Ioffe, A.F. | title=Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling | publisher=Infosearch Limited | year=1957 | id=ISBN 0-8508-6039-3}}
== Външни препратки ==
| |||