Термоэлектрический эффект: преобразование температуры в электричество и обратно.

Введение

Прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение и наоборот – термоэлектрический эффект как физическое явление.

Термоэлектрический эффект – это прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение и наоборот посредством термопары. Термоэлектрическое устройство создает напряжение при разной температуре на каждой стороне. И наоборот, при приложении напряжения к нему происходит передача тепла от одной стороны к другой, создавая разность температур. На атомном уровне приложенный температурный градиент вызывает диффузию носителей заряда в материале от горячей стороны к холодной. Этот эффект может быть использован для генерации электроэнергии, измерения температуры или изменения температуры объектов. Поскольку направление нагрева и охлаждения зависит от приложенного напряжения, термоэлектрические устройства могут использоваться в качестве контроллеров температуры. Термин «термоэлектрический эффект» охватывает три отдельно идентифицированных эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона. Эффекты Зеебека и Пельтье – различные проявления одного и того же физического процесса; в учебниках этот процесс может называться эффектом Пельтье–Зеебека (разделение обусловлено независимыми открытиями французского физика Жана-Шарля Атанаса Пельтье и балтийско-немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека). Эффект Томсона является расширением модели Пельтье–Зеебека и приписывается лорду Кельвину. Нагрев Джоуля, тепло, выделяющееся при прохождении тока через проводящий материал, обычно не рассматривается как термоэлектрический эффект. Эффекты Пельтье–Зеебека и Томсона термодинамически обратимы, в то время как нагрев Джоуля – нет.

Приложения

На практике термоэлектрические эффекты практически не наблюдаются для локализованного горячего или холодного пятна в одном однородном проводящем материале, поскольку суммарные ЭДС от возрастающих и убывающих температурных градиентов полностью компенсируют друг друга. Прикрепление электрода к горячей точке в попытке измерить локально смещенное напряжение будет лишь частично успешным: это означает, что внутри электрода возникнет другой температурный градиент, и, следовательно, суммарная ЭДС будет зависеть от разницы в коэффициентах Зеебека между электродом и проводником, к которому он прикреплен. Термопары состоят из двух проводов, каждый из которых изготовлен из разных материалов, электрически соединенных в области с неизвестной температурой. Свободные концы измеряются в разомкнутой цепи (без тока). Хотя коэффициенты Зеебека материалов нелинейно зависят от температуры и различаются для двух материалов, разомкнутая цепь означает, что везде. Поэтому (см. статью о термопарах для получения более подробной информации) напряжение, измеренное на свободных концах проводов, напрямую зависит от неизвестной температуры, но при этом полностью не зависит от других деталей, таких как точная геометрия проводов. Эта прямая зависимость позволяет использовать термопару в качестве простого некалиброванного термометра, при условии знания разницы в зависимостях от для двух материалов и опорной температуры на измеренных свободных концах проводов. Термоэлектрическая сортировка работает аналогично термопаре, но включает в себя неизвестный материал вместо неизвестной температуры: металлический зонд известного состава поддерживается при постоянной известной температуре и контактирует с неизвестным образцом, который локально нагревается до температуры зонда, тем самым обеспечивая приблизительное измерение неизвестного коэффициента Зеебека. Это может помочь различить различные металлы и сплавы. Термопилы формируются из множества термопар, соединенных последовательно, зигзагообразно переходящих от горячего к холодному. Это умножает выходное напряжение. Термоэлектрические генераторы похожи на термопару/термопилу, но вместо этого снимают некоторый ток с генерируемого напряжения для извлечения энергии из тепловых перепадов. Они оптимизированы иначе, чем термопары, с использованием высококачественных термоэлектрических материалов в термопильной конфигурации для максимизации извлеченной мощности. Хотя эти генераторы не отличаются особой эффективностью, они имеют преимущество отсутствия движущихся частей.

In practice, thermoelectric effects are essentially unobservable for a localized hot or cold spot in a single homogeneous conducting material, since the overall emfs from the increasing and decreasing temperature gradients will perfectly cancel out. Attaching an electrode to the hotspot in an attempt to measure the locally shifted voltage will only partly succeed: it means another temperature gradient will appear inside of the electrode, and so the overall emf will depend on the difference in Seebeck coefficients between the electrode and the conductor it is attached to. Thermocouples involve two wires, each of a different material, that are electrically joined in a region of unknown temperature. The loose ends are measured in an open circuit state (without any current, ). Although the materials' Seebeck coefficients are nonlinearly temperature dependent and different for the two materials, the open circuit condition means that everywhere. Therefore (see the thermocouple article for more details) the voltage measured at the loose ends of the wires is directly dependent on the unknown temperature, and yet totally independent of other details such as the exact geometry of the wires. This direct relationship allows the thermocouple arrangement to be used as a straightforward uncalibrated thermometer, provided knowledge of the difference in vs curves of the two materials, and of the reference temperature at the measured loose wire ends. Thermoelectric sorting functions similarly to a thermocouple but involves an unknown material instead of an unknown temperature: a metallic probe of known composition is kept at a constant known temperature and held in contact with the unknown sample that is locally heated to the probe temperature, thereby providing an approximate measurement of the unknown Seebeck coefficient This can help distinguish between different metals and alloys. Thermopiles are formed from many thermocouples in series, zig zagging back and forth between hot and cold. This multiplies the voltage output. Thermoelectric generators are like a thermocouple/thermopile but instead draw some current from the generated voltage in order to extract power from heat differentials. They are optimized differently from thermocouples, using high quality thermoelectric materials in a thermopile arrangement, to maximize the extracted power. Though not particularly efficient, these generators have the advantage of not having any moving parts.

Эффект Пельтье

Когда электрический ток проходит через цепь термопары, тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом спае. Это явление известно как эффект Пельтье: наличие нагрева или охлаждения в электрически нагруженном спае двух различных проводников. Эффект назван в честь французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье, который открыл его в 1834 году. При прохождении тока через спай между двумя проводниками, А и В, в этом спае может выделяться или поглощаться тепло. Количество тепла Пельтье, выделяемое или поглощаемое в спае за единицу времени, определяется выражением

где и – коэффициенты Пельтье проводников А и В, а – электрический ток (от А к В). Общее количество выделяемого или поглощаемого тепла определяется не только эффектом Пельтье, но также может зависеть от нагрева Джоуля и эффектов теплового градиента (см. ниже). Коэффициенты Пельтье характеризуют количество тепла, переносимого на единицу электрического заряда. Поскольку ток заряда должен быть непрерывным в спае, связанный с ним тепловой поток будет испытывать разрыв, если и различны. Эффект Пельтье можно рассматривать как обратное действие эффекту Зеебека (аналогично противоЭДС при магнитной индукции): если замкнуть простую термоэлектрическую цепь, то эффект Зеебека приведет к возникновению тока, который, в свою очередь (благодаря эффекту Пельтье), всегда будет передавать тепло от горячего спая к холодному. Тесная взаимосвязь между эффектами Пельтье и Зеебека проявляется в прямой зависимости между их коэффициентами: (см. ниже). Типичный тепловой насос Пельтье состоит из нескольких последовательно соединенных спаев, через которые пропускается ток. В одних спаях происходит потеря тепла из-за эффекта Пельтье, а в других – его поглощение. Термоэлектрические тепловые насосы используют это явление, как и термоэлектрические охладительные устройства, применяемые в холодильниках.

Приложения

Эффект Пельтье может быть использован для создания теплового насоса. Особенно примечательно, что термоэлектрический холодильник Пельтье – это компактный холодильник, не содержащий циркулирующей жидкости или движущихся частей. Такие холодильники полезны в приложениях, где их преимущества перевешивают недостаток их очень низкой эффективности. Другие применения тепловых насосов, такие как осушители, также могут использовать тепловые насосы Пельтье. Термоэлектрические охладители тривиально обратимы: они могут использоваться в качестве нагревателей, просто изменив направление тока. В отличие от обычного резистивного электрического нагрева (нагрева Джоуля), который изменяется пропорционально квадрату тока, эффект термоэлектрического нагрева линеен по току (по крайней мере, при небольших токах), но требует холодного радиатора для восполнения тепловой энергии. Этот быстрый эффект обратного нагрева и охлаждения используется многими современными термоциклами – лабораторными приборами, применяемыми для амплификации ДНК методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР требует циклического нагрева и охлаждения образцов до заданных температур. Включение большого количества термопар в небольшое пространство позволяет амплифицировать множество образцов параллельно.

Эффект Томсона

В различных материалах коэффициент Зибека не является постоянным в зависимости от температуры, и поэтому пространственный градиент температуры может привести к градиенту коэффициента Зибека. Если ток проходит через этот градиент, то возникает непрерывная версия эффекта Пельтье. Эффект Томсона был предсказан и позднее экспериментально подтвержден в 1851 году лордом Кельвином (Уильямом Томсоном). Он описывает нагрев или охлаждение проводника, по которому течет ток, при наличии температурного градиента. Если плотность тока проходит через однородный проводник, эффект Томсона предсказывает скорость выделения тепла на единицу объема, где – градиент температуры, а – коэффициент Томсона. Эффект Томсона является проявлением направления движения электрических носителей заряда относительно градиента температуры внутри проводника. Носители поглощают энергию (тепло), движущуюся в направлении, противоположном тепловому градиенту, увеличивая свою потенциальную энергию, и выделяют тепло, уменьшая свою потенциальную энергию, когда движутся в том же направлении, что и тепловой градиент. Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зибека соотношением (см. ниже). Однако это уравнение не учитывает нагрев Джоуля и обычную теплопроводность (см. полные уравнения ниже).