Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Термоэлектрические явления




Читайте также:
  1. Levha, ilan Вывески, объявления
  2. АНДРОНОЦЕНТРИЗМ (греч. andros – мужчина) - взгляд на явления с мужской точки зрения.
  3. Бактериальный шок: 1) определение, этиология, клинические проявления 2) наиболее характерные входные ворота 3) факторы прорыва 4) патологическая анатомия 5) причины смерти.
  4. Белки, их роль в питании. Проявления недостаточного и избыточного их поступления в организм.
  5. Билет № 15. 1.Характерные дефекты блока цилиндров, способы их выявления и устранения.
  6. В 1960 году П. Медавару и Ф. Бернету за открытие и истолкование явления иммунологической толерантности была присуждена Нобелевская премия.
  7. В случае невозобновления дыхания оживление проводить до появления явных трупных признаков.
  8. Взаимосвязи индексов. Индексный метод выявления роли отдельных факторов динамики сложных явлений.
  9. Виды предъявления для опознания
  10. Виды связей между явлениями.

 

Термоэлектрические явления – это явления прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратные явления прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Они обусловлены связью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках (полупроводниках). К термоэлектрическим явлениям относятся термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебекасостоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах (рис. 2.3). Разность температур в соединениях проводников A и B вызывает появление тока в замкнутой цепи. Направление тока зависит от того, для какого из проводников удельная термо-ЭДС больше по абсолютной величине. Сила тока зависит от разности температур (TгорTхол), удельных термо-ЭДС обоих проводников и от их удельных сопротивлений. Эффект Зеебека характеризуется дифференциальным коэффициентом термо-ЭДС aТ.

Рис. 2.3 Термоэлектрический эффект Зеебека.

Эффект Пельтьеявляется эффектом, обратным явлению Зеебека (рис. 2.4). При протекании тока в цепи из различных проводников в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока в цепи, некоторое количество теплоты QП, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t): QП = ПIt, где П − коэффициент Пельтье.

Рис. 2.4 Электротермический эффект Пельтье

Эффект Томсона заключается в выделении дополнительного количества тепла Qt в однородном проводнике при одновременном действии проходящего тока и градиента температур. При пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке (рис. 2.5), один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается – зависит от направления тока в цепи. Количество выделенного тепла пропорционально коэффициенту Томсона. Этот эффект был предсказан У. Томсоном (Кельвином) на основании выведенного им термодинамического соотношения между коэффициентами Пельтье и Зеебека.



 

Рис. 2.5 Электротермический эффект Томсона

 

Все три термоэлектрических коэффициента, зависящие от параметров спаев и от свойств самих материалов, − дифференциальный коэффициент термоЭДС aТ, коэффициент Пельтье П и коэффициент Томсона t − связаны между собой соотношением Кельвина:

aТ = П/t.

Таким образом, к термоэлектрическим явлениям относятся три взаимосвязанных эффекта, характеризующиеся соответствующими коэффициентами, различающимися для разных материалов. Причина всех термоэлектрических явлений заключается в нарушении теплового равновесия в потоке носителей заряда, то есть в отличии средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми. Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах. Именно поэтому термоэлектрические полупроводниковые материалы нашли в настоящее время широкое применение для создания различных приборов, принцип действия которых основан на термоэлектрических эффектах.

Термоэлектрические явления широко используются для создания термоэлектрических измерительных приборов, а также термоэлектрических генераторов и холодильников. Термоэлектрические генераторы и холодильники являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую или переноса тепла между спаями в термоэлектрических материалах при прохождении электрического тока. Перспективно сочетание термоэлектрических преобразователей с компактными, мощными и относительно дешевыми источниками тепла. Термоэлектрические приборы обладают принципиальными преимуществами перед обычными механическими системами: отсутствием движущихся частей, бесшумностью работы, компактностью, легкостью регулировки, малой инерционностью.



Термопара.Эффект Зеебека лежит в основе применения термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T1 на рис. 2.6) поддерживается при точно известной температуре (например, точке замерзания воды 0° C), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T2 другого спая. Знак термо-ЭДС зависит от того, для какого из проводников больше по абсолютной величине удельная термо-ЭДС. Величина термо-ЭДС термопары зависит от разности температур и от удельных термо-ЭДС обоих проводников. Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, – величина порядка 1 мВ.

Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от -160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного сплава хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или -273,16° C).



Рис. 2.6 Схема термопары (измерительный преобразователь температуры)

 

Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 2.7). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T1, а другой – при температуре T2. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

 

 

Рис. 2.7 Термобатарея

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими по размерам и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Термоэлектрические свойства металлов.Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Поэтому его обычно используют для измерения термоэлектрических коэффициентов неизвестных материалов. Поскольку термо-ЭДС определяется свойствами обеих ветвей термопары, одна ветвь должна быть из некоего «опорного» материала, для которого известна удельная термо-ЭДС (т.е. термо-ЭДС на один градус разности температур). Если одна ветвь термопары находится в сверхпроводящем состоянии, то ее удельная термо-ЭДС равна нулю, термо-ЭДС термопары определяется величиной удельной термо-ЭДС другой ветви. Таким образом, сверхпроводник – идеальный «опорный» материал для измерения удельной термо-ЭДС неизвестных материалов. До 1986 г. самая высокая температура, при которой металл можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии, составляла лишь 10 К (-263° C). В настоящее время сверхпроводники можно использовать приблизительно до 100 К (-173° C). При более высоких температурах приходится проводить измерения с несверхпроводящими опорными материалами. До комнатной и несколько более высоких температур опорным материалом обычно служит свинец, а при еще более высоких – золото и платина.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

 


Дата добавления: 2015-01-05; просмотров: 169; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2022 год. (0.009 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты