Принцип действия пт основан на эффекте зеебека. Эффект Зеебека: описание, объяснение и использование

Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи , состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников , контакты между которыми находятся при различных температурах .

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

История

Описание

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой .

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( $T_1$ ) и холодного ( $T_2$ ) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС $E$ можно считать пропорциональной разности температур:

$E = \alpha_{12}(T_2 - T_1),$ где $\alpha_{12}$ - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры $\alpha_{12}$ меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

$\mathcal E = \int\limits_{T_1}^{T_2} \alpha_{12}(T)dT.$

Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 °С и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд , а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС .

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов , равная

$U = \frac{F_2-F_1}{e}$ , где $F$ - энергия Ферми, $e$ - заряд электрона .

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах - от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом - против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС .

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов , движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

Магнонное увлечение

Использование

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Напишите отзыв о статье "Эффект Зеебека"

Ссылки

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Эффект Зеебека

Первый раз он испытал это чувство тогда, когда граната волчком вертелась перед ним и он смотрел на жнивье, на кусты, на небо и знал, что перед ним была смерть. Когда он очнулся после раны и в душе его, мгновенно, как бы освобожденный от удерживавшего его гнета жизни, распустился этот цветок любви, вечной, свободной, не зависящей от этой жизни, он уже не боялся смерти и не думал о ней.
Чем больше он, в те часы страдальческого уединения и полубреда, которые он провел после своей раны, вдумывался в новое, открытое ему начало вечной любви, тем более он, сам не чувствуя того, отрекался от земной жизни. Всё, всех любить, всегда жертвовать собой для любви, значило никого не любить, значило не жить этою земною жизнию. И чем больше он проникался этим началом любви, тем больше он отрекался от жизни и тем совершеннее уничтожал ту страшную преграду, которая без любви стоит между жизнью и смертью. Когда он, это первое время, вспоминал о том, что ему надо было умереть, он говорил себе: ну что ж, тем лучше.
Но после той ночи в Мытищах, когда в полубреду перед ним явилась та, которую он желал, и когда он, прижав к своим губам ее руку, заплакал тихими, радостными слезами, любовь к одной женщине незаметно закралась в его сердце и опять привязала его к жизни. И радостные и тревожные мысли стали приходить ему. Вспоминая ту минуту на перевязочном пункте, когда он увидал Курагина, он теперь не мог возвратиться к тому чувству: его мучил вопрос о том, жив ли он? И он не смел спросить этого.

Болезнь его шла своим физическим порядком, но то, что Наташа называла: это сделалось с ним, случилось с ним два дня перед приездом княжны Марьи. Это была та последняя нравственная борьба между жизнью и смертью, в которой смерть одержала победу. Это было неожиданное сознание того, что он еще дорожил жизнью, представлявшейся ему в любви к Наташе, и последний, покоренный припадок ужаса перед неведомым.
Это было вечером. Он был, как обыкновенно после обеда, в легком лихорадочном состоянии, и мысли его были чрезвычайно ясны. Соня сидела у стола. Он задремал. Вдруг ощущение счастья охватило его.
«А, это она вошла!» – подумал он.
Действительно, на месте Сони сидела только что неслышными шагами вошедшая Наташа.
С тех пор как она стала ходить за ним, он всегда испытывал это физическое ощущение ее близости. Она сидела на кресле, боком к нему, заслоняя собой от него свет свечи, и вязала чулок. (Она выучилась вязать чулки с тех пор, как раз князь Андрей сказал ей, что никто так не умеет ходить за больными, как старые няни, которые вяжут чулки, и что в вязании чулка есть что то успокоительное.) Тонкие пальцы ее быстро перебирали изредка сталкивающиеся спицы, и задумчивый профиль ее опущенного лица был ясно виден ему. Она сделала движенье – клубок скатился с ее колен. Она вздрогнула, оглянулась на него и, заслоняя свечу рукой, осторожным, гибким и точным движением изогнулась, подняла клубок и села в прежнее положение.
Он смотрел на нее, не шевелясь, и видел, что ей нужно было после своего движения вздохнуть во всю грудь, но она не решалась этого сделать и осторожно переводила дыханье.
В Троицкой лавре они говорили о прошедшем, и он сказал ей, что, ежели бы он был жив, он бы благодарил вечно бога за свою рану, которая свела его опять с нею; но с тех пор они никогда не говорили о будущем.
«Могло или не могло это быть? – думал он теперь, глядя на нее и прислушиваясь к легкому стальному звуку спиц. – Неужели только затем так странно свела меня с нею судьба, чтобы мне умереть?.. Неужели мне открылась истина жизни только для того, чтобы я жил во лжи? Я люблю ее больше всего в мире. Но что же делать мне, ежели я люблю ее?» – сказал он, и он вдруг невольно застонал, по привычке, которую он приобрел во время своих страданий.
Услыхав этот звук, Наташа положила чулок, перегнулась ближе к нему и вдруг, заметив его светящиеся глаза, подошла к нему легким шагом и нагнулась.
– Вы не спите?
– Нет, я давно смотрю на вас; я почувствовал, когда вы вошли. Никто, как вы, но дает мне той мягкой тишины… того света. Мне так и хочется плакать от радости.
Наташа ближе придвинулась к нему. Лицо ее сияло восторженною радостью.
– Наташа, я слишком люблю вас. Больше всего на свете.
– А я? – Она отвернулась на мгновение. – Отчего же слишком? – сказала она.
– Отчего слишком?.. Ну, как вы думаете, как вы чувствуете по душе, по всей душе, буду я жив? Как вам кажется?
– Я уверена, я уверена! – почти вскрикнула Наташа, страстным движением взяв его за обе руки.
Он помолчал.
– Как бы хорошо! – И, взяв ее руку, он поцеловал ее.
Наташа была счастлива и взволнована; и тотчас же она вспомнила, что этого нельзя, что ему нужно спокойствие.
– Однако вы не спали, – сказала она, подавляя свою радость. – Постарайтесь заснуть… пожалуйста.
Он выпустил, пожав ее, ее руку, она перешла к свече и опять села в прежнее положение. Два раза она оглянулась на него, глаза его светились ей навстречу. Она задала себе урок на чулке и сказала себе, что до тех пор она не оглянется, пока не кончит его.
Действительно, скоро после этого он закрыл глаза и заснул. Он спал недолго и вдруг в холодном поту тревожно проснулся.
Засыпая, он думал все о том же, о чем он думал все ото время, – о жизни и смерти. И больше о смерти. Он чувствовал себя ближе к ней.
«Любовь? Что такое любовь? – думал он. – Любовь мешает смерти. Любовь есть жизнь. Все, все, что я понимаю, я понимаю только потому, что люблю. Все есть, все существует только потому, что я люблю. Все связано одною ею. Любовь есть бог, и умереть – значит мне, частице любви, вернуться к общему и вечному источнику». Мысли эти показались ему утешительны. Но это были только мысли. Чего то недоставало в них, что то было односторонне личное, умственное – не было очевидности. И было то же беспокойство и неясность. Он заснул.

К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти явления нашли широкое применение, в частности эффект Зеебека, положенный в основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров.

Явление Зеебека открыто в 1821 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс).

Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

В электрической цепи, составленной из разных проводников (М 1 и М 2), возникает термоэдс, если места контактов (А , B ) поддерживаются при разных температурах. Когда цепь замкнута, в ней течет электрический ток (называемый термотоком ), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 5).

Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Величина термоэдс зависит от абсолютных значений температур спаев (T A , T B ), разности этих температур и от природы материалов, составляющих термоэлемент. В небольшом интервале температур термоэдс  можно считать пропорциональной разности температур:

 = α 12 (T 2 − T 1), (5)

d =  12 dT ;

Здесь  12 – термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс ) металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину  измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец , т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами .

Значения коэффициентов термоэдс металлов М 1 и М 2 по отношению к свинцу обозначают соответственно  1 и  2 и называют абсолютными коэффициентами термоэдс . Тогда

 12 =  1 –  2 .

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением  к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М 1) - константан (М 2):  1 = +15,0 мкВ/К;  2 = –38,0 мкВ/К. Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М 2 к М 1). Именно эта ситуация (когда  2 <  1) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 4.

Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур . В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака .

Термоэдс обусловлена тремя причинами :

1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;

2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс;

3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую – фононную.

Первая причина . Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс ():

(8)

где E F – энергия Ферми;

k – постоянная Больцмана;

е – заряд электрона.

Для свободных электронов  k должно линейно меняться с температурой.

Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле Е Т , направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 6).

Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры

В равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная ) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.

В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.

Третий источник термоэдс – эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем – положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим.

Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа ) имеет вид:

(10)

Считая, что зависимость проводимости металлов (s ) от энергии (Е ) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей.

В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому термоэдс «классических» металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников  может превышать 1000 мкВ/К.

Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0 °С до 100 °С (положительный знак  приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).

Металл  , мкВ/К

Платина -4,4

Олово -0,2

Свинец 0,0

Серебро +2,7

Сурьма +4,3

Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.

Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.

С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения температур. Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс.

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара – термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры .

Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М 1 и М 2 . В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.

Описание

Величина возникающей термоэдс в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего () и холодного () контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур:

где - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

Величина термоэдс составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС .

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

, где - энергия Ферми, - заряд электрона .

Данная ЭДС называется контактная ЭДС .

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

Фононное увлечение

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами .

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Ссылки

Примечания

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эффект Зеебека" в других словарях:

- (термоэлектрический эффект), в ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ, образование ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС) в цепи, состоящей из двух различных металлов или полупроводников, соединенных в петлю, два контакта между которыми поддерживаются при разных температурах.… … Научно-технический энциклопедический словарь

эффект Зеебека - термоэлектрический эффект — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы термоэлектрический эффект EN… … Справочник технического переводчика

эффект Зеебека - термоэлектрический эффект Зеебека; эффект Зеебека Возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников при различных температурах контактов. термоэлектрический эффект; эффект… … Политехнический терминологический толковый словарь

эффект Зеебека - termoelektrinis efektas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovės atsiradimas uždaroje grandinėje, sudarytoje iš skirtingų metalų pašildžius jų kontakto vietą. atitikmenys: angl. Seebeck effect; thermoelectric effect rus.… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

эффект Зеебека - Seebeck o reiškinys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet Seebeck, m ryšiai: sinonimas – Zėbeko reiškinys … Automatikos terminų žodynas

эффект Зеебека - Zėbeko reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Seebeck effect vok. Seebeck Effekt, m rus. эффект Зеебека, m pranc. effet de Seebeck, m … Fizikos terminų žodynas

эффект Зеебека - Zėbeko efektas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reiškinys, kai uždaroje elektrinėje grandinėje, iš nuosekliai sujungtų dviejų laidininkų, kurių lietimosi vietų temperatūra nevienoda, susidaro termoelektrovara ir teka elektros srovė.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

эффект Зеебека - явление возникновения электродвижущей силы в электрическом контуре, состоящем из разных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры; открыт в 1821 г. немецким физиком Т. Зеебеком. Электродвижущая сила,… … Энциклопедический словарь по металлургии

Эффект Зеебека - холод. техн. Возникновение электродвижущей силы за счет разности температур двух спаев различных металлов или сплавов … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого

- (англ. Spin Seebeck effect) физический эффект, в котором градиент температуры вдоль ферромагнитного проводника создаёт ненулевой потенциал спинового тока, где электрохимические потенциалы для электронов с основным и неосновным… … Википедия

Результирующая контактная разность потенциалов равна:


ϕ − ϕ	= −(A	− A ) / е +
ϕ − ϕ	= −(A	− A ) / е +

Рассмотрим случай, когда в соприкосновение приведены три разных проводника, находящихся при одинаковой температуре.

Разность потенциалов между концами разомкнутой цепи будет равна алгебраической сумме скачков потенциалов во всех контактах:

ϕ 1 − ϕ 3 = (ϕ 1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 3 ) ,

откуда используя соотношения (1) и (2) получаем:


ϕ − ϕ		= −(A − A ) / е +
ϕ − ϕ		= −(A − A ) / е +

Как видно, контактная разность потенциалов не зависит от промежуточного проводника.

Рис.1 Соединение трех различных проводников

Если замкнуть электрическую цепь, представленную на рисунке 1, то приложенная э. д. с. ε будет равна алгебраической сумме всех скачков потенциалов, которые имеют место при обходе цепи:

ε = (ϕ 1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 3 ) + (ϕ 3 − ϕ 1 ) , (6)

откуда следует, что ε =0.

Таким образом, при образовании замкнутой электрической цепи из нескольких металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, э. д. с. за счет контактной разности потенциалов не возникает. Чтобы ток возник, спаи проводников должны находится при разных температурах.

Контактная разность потенциалов возникает не только между двумя металлами, но также и между двумя полупроводниками, металлом и полупроводником, двумя диэлектриками.

1.2 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Известно, что работа выхода электронов из металла зависит от температуры. Следовательно, контактная разность потенциалов также зависит от температуры. Если температура контактов замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, неодинакова, то полная э. д. с. контура не будет равна нулю, и в цепи возникает электрических ток. Явление возникновения термоэлектрического тока (эффект Зеебека) и связанные с ним эффекты Пельтье и Томсона относятся к термоэлектрическим явлениям.

ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА

Эффект Зеебека заключается в возникновении электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру. Этот эффект был обнаружен немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух проводников 1 и 2 с температурами спаев ТА (контакт А) и ТВ (контакт В), представленную на рисунке 2.

Считаем, ТА >ТВ . Электродвижущая сила ε , возникающая в данной цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:

ε = (ϕ 1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 1 ) .

Используя соотношение (3), получим:


ε = (Т		−Т
ε = (Т		−Т

Следовательно, в замкнутой цепи возникает э. д. с., величина которой прямо пропорциональна разности температур на контактах. Это и есть термоэлектродвижущая сила

(т. э. д. с.).

Качественно эффект Зеебека можно объяснить следующим образом. Сторонние силы, создающие термоэдс, имеют кинетическое происхождение. Так как электроны внутри металла свободны, то их можно рассматривать как некоторый газ. Давление этого газа должно быть одинаковым по всей длине проводника. Если разные сечения проводника имеют разные температуры, то для выравнивания давления требуется перераспределение концентрации электронов. Это и приводит к возникновению тока.

Направление тока I, указано на рис. 2, соответствует случаю ТА >ТВ , n1 >n2 . Если изменить знак у разности температур контактов, то направление тока измениться на противоположное.

ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

Эффектом Пельтье называется явление выделения или поглощения дополнительной теплоты, помимо джоулева тепла, в контакте двух различных проводников в зависимости от направления, по которому течет электрический ток. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека. Если джоулево тепло прямопропорционально квадрату силы тока, то теплота Пельтье прямо пропорциональна силе тока в первой степени и меняет свой знак при перемене направления тока.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух различных металлических проводников, по которой течет ток I΄ (Рис. 3). Пусть направление тока I΄ совпадает с направлением тока I, показанного на рис. 2 для случая ТВ >ТА . Контакт А, который в эффекте Зеебека имел бы более высокую температуру, теперь будет охлаждаться, а контакт В – нагреваться. Величина тепла Пельтье определяется соотношением:

Q = П I / t ,

где I΄ – сила тока, t – время его пропускания, П – коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и температуры.

Из-за наличия контактных разностей потенциалов в точках А и В возникают контактные электрические поля с напряженностью E r . В контакте А это поле совпадает с направлением

движения электронов, а в контакте В электроны движутся против поля E r . Так как электроны заряжены отрицательно, то в контакте В они ускоряются, что приводит к увеличению их кинетической энергии. При столкновениях с ионами металла эти электроны передают им энергию. В результате повышается внутренняя энергия в точке В и контакт нагревается. В

точке А энергия электронов наоборот уменьшается, поскольку поле E r тормозит их. Соответственно контакт А охлаждается, т.к. электроны получают энергию от ионов в узлах кристаллической решетки.

ЭФФЕКТ ТОМСОНА

Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику происходит дополнительное выделение или поглощение теплоты, аналогично тому, как это имеет место в эффекте Пельтье.

Поскольку различные участки проводника нагреты неодинаково, то и их физические состояния различаются. Неравномерно нагретый проводник ведет себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков. В более нагретой части проводника энергия электронов выше, чем в менее нагретой. Поэтому в процессе движения они отдают часть своей энергии ионам металла в узлах кристаллической решетки. В результате происходит выделение тепла. Если же электроны движутся в область, где температура выше, то они увеличивают свою энергию за счет энергии ионов, и металл охлаждается.

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Эффект Зеебека широко используется в устройствах для измерения температуры и устройствах прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Простейшее такое устройство состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой), составляющие термопару проводники – электродами, места их соединения – спаями. На рис.4 представлены типичные схемы включения термопары.

Рис.4. Типичные схемы включения термопары

На рис.4а измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1. Это типичная схема включения термопары с термостатированным контактом, когда температура одного из спаев поддерживается постоянной (обычно при температуре тающего льда 273К).

На рис.4б измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; ТА и ТВ - температуры соответственно "горячего" и "холодного" контактов термопары. Это типичная схема включения термопары с нетермостатированным "холостым" контактом, когда температура ТВ равна температуре окружающей среды.

Термоэдс ε термопары в небольшом интервале температур пропорциональна разности температур спаев:

ε = α 12 (Т А − Т В ) ,

где αАВ - коэффициент т. э. д. с. (величина т. э. д. с., возникающая при разности

температур спаев в 1К).

α 12 = dT d ε или α 12 = ∆ ∆ T ε .

Коэффициент термоэдс α 12 зависит от коэффициентов т. э. д. с. α 1 и α 2 веществ термоэлектродов:

α 12 = α 1 − α 2 .

Коэффициенты т. э. д. с. различных веществ определяются по отношению к свинцу, для которого α Pb = 0 . Коэффициент т. э. д. с. может иметь как положительное, так и

отрицательное значение и в общем случае зависит от температуры.

Для получения максимальной величины т. э. д. с. необходимо выбирать материалы с наибольшими коэффициентами т. э. д. с. противоположного знака.

При увеличении разности температур спаев т. э. д. с. будет изменяться не по линейному закону, поэтому перед тем, как измерять температуру при помощи термопары, ее градуируют.

Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от температуры жидкого гелия до нескольких тысяч градусов. Чтобы увеличить точность измерений, используют схему включения термопары с термостатированным контактом (рис.4а).

Термоэдс весьма чувствительна к наличию химических примесей в спае. Для предохранения рабочего спая термопары от внешних химических воздействий он может быть помещен в защитную химическую оболочку.

Для увеличения термоэдс, термопары последовательно соединяют в термобатареи. Все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а нечетные при другой. Термоэлектродвижущая сила такой батареи равна сумме т. э. д. с. ее отдельных элементов

Рис.5 Термобатарея

Миниатюрные термобатареи, составленные из тончайших полосок двух различных материалов, применяются для регистрации нагретых тел и измерения испускаемого ими электромагнитного излучения. В соединении с чувствительным гальванометром или электронным усилительным устройством они могут обнаружить, например, тепловое излучение человеческой руки на расстоянии в несколько метров. Высокая чувствительность термобатарей позволяет использовать их в качестве датчиков устройств сигнализации повышения температуры.

Термобатареи используются и как генераторы электрического тока. Они просты по устройству и не содержат механических движущихся частей. Однако использование металлических термоэлементов в качестве генераторов малоэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы.

Поскольку эффект Пельтье связан с процессами выделения и поглощения тепла, он применяется в устройствах для охлаждения (холодильниках).

3.ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Для градуировки используют заранее известные с высокой точностью значения температуры (например, температура таяния льда, кипения воды, плавления чистых металлов). При градуировке холодный спай термопары термостатируется в сосуде Дьюара с тающим льдом (т.е. поддерживается при температуре 00 С), а второй спай поочередно погружается в ванны с известной температурой. Результаты градуировки представляются в виде градуировочной таблицы или графика зависимости т. э. д. с. от температуры.

ПРИЛОЖЕНИЕ

КВАНТОВОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ Т. Э. Д. С.

Возникновение термоэлектродвижущей силы обусловлено тремя причинами:

1. температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей т. э. д. с.;

2. диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть т. э. д. с.;

3. процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую

– фононную.

Рассмотрим первую причину Максимальная кинетическая энергия электронов проводимости в металле при 0К

называется энергией Ферми. Уровень Ферми при абсолютном нуле и концентрация электронов проводимости связаны между собой соотношением:

E f (0) =		(3 π 2 n ) 2 / 3
	8 π 2 m

где h – постоянная Планка, m – масса электрона, n – концентрация электронов проводимости.

У разнородных металлов концентрация электронов проводимости неодинаковые, поэтому будут различны и уровни Ферми EF1 и EF2. Пусть концентрация n2 в металле М2 больше концентрации n1 в металле M1 . Рассмотрим энергетические диаграммы двух проводников М1 и М2 , расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (рис. П1а). Пусть W0 – энергия покоящегося свободного электрона в вакууме, где его потенциальная энергия равна нулю. Тогда, относительно этого уровня потенциальная энергия электрона проводимости в металле определяется его внутренней потенциальной энергией еφ и эффективной работой выхода А, а кинетическая энергия зависит от температуры и уровня Ферми. Полную энергию электрона в металле обозначим EF + еφ

Если металлы М1 и М2 привести в контакт (рис. П1 б, в), начнется диффузия электронов, в процессе которой электроны будут переходить из металла 2 в металл 1, так как n1

Рис. П1. Энергетическая диаграмма двух металлов:

а) контакта нет; б) в контакте, но нет равновесия; в) равновесие

Действительно, в металле М2 имеются заполненные энергетические уровни, расположенные выше уровня Ферми Е F1 первого металла. Электроны с этих уровней будут переходить на нижележащие свободные уровни металла М1, которые расположены выше уровня Е F1 . В результате диффузии металл 2 будет заряжаться положительно, а металл 1 отрицательно, причем уровень Ферми у первого металла поднимается, а у второго

опускается. Таким образом, в области контакта возникает электрическое поле, а,

следовательно, и внутренняя контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему перемещению электронов. При некотором значении внутренней контактной разности потенциалов U 12 между металлами установится равновесие, и уровни Ферми при этом сравняются. Это произойдет при равенстве энергий

E F 1 + e ϕ 1= E F 2 + e ϕ 2 .

Отсюда следует выражение для внутренней контактной разности потенциалов

ϕ 1 − ϕ 2 = U 12		E F1 - E F2

Если оба спая А и В проводников находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и имеют противоположные знаки, то есть компенсируют друг друга.

При выводе предполагалось, что металлы находятся при низких температурах. Однако результат останется верным и при других температурах: нужно лишь иметь ввиду, что при Т≠0К уровень Ферми зависит не только от концентрации электронов, но и от температуры.

При условии, что kТ<<ЕF эта зависимость имеет следующий вид:

−π

≈ Е

(0 )1

E F (0 )

Следовательно, если в местах спаев А и В поддерживать разную температуру, то сумма скачков потенциала в спаях будет отлична от нуля и вызовет появление ЭДС. Эта ЭДС, обусловленная контактными разностями потенциалов, согласно выражению П2 равна:

ε k = U 12 (T А ) + U 12 (T В ) = 1 e { [ E F 1 (T А )− E F 2 (T А )] + [ E F 1 (T В )− E F 2 (T В )] } =

1 e { [ E F 2 (T В) − E F 2 (T А) ] + [ E F1 (T В) − E F1 (T А) ] }

Последнее выражение можно представить следующим образом:

= ∫ В	1 dE F 2	dT − ∫ В	1 dE F 1	dT .

Т А e		T А e

Вторая причина обуславливает объемную составляющую т. э. д. с., связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металле перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном

увеличится. Внутри проводника возникает электрическое поле Е r Т , направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. П2)

Рис. П2 Возникновение т. э. д. с. в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры.

Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая т. э. д. с., которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.

Третий источник т. э. д. с. – эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов (квантов энергии упругих колебаний решетки), направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую т. э. д. с., вклад которой при низких температурах становится определяющим:

ε 1 AВ	= ∫ В d ϕ =∫ В d ϕ dT = ∫ В		β 1 dT , (П5)

		А dT

где β 1 = d dT ϕ - коэффициент объемной т. э. д. с. в металле М1.

ε 2 АB	= −∫ d ϕ = − ∫ d ϕ dT = −∫ β 2 dT

гдеβ 2 = d dT ϕ - коэффициент объемной т. э. д. с. в металле М2.

Сумма всех этих ЭДС образует термоэлектродвижущую силу

εT = εk + ε A 21 + ε B 12 . (П7)

Подставив выражения (П4), (П5) и (П6) в равенство (П7), получим

ТВ	1 dE F 1		1 dE F 2
ε Т = ∫		dT − ∫		dT . (П8)

ТА	е dT		e dT

Величина α = β − 1 е dE dT F называется коэффициентом т. э. д. с. и является функцией

температуры.

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей. В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не

зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому коэффициенты термоэдс «классических» металлов очень малы (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников α может превышать 1000 мкВ/К.

Используя коэффициент α , представим выражение (П8) в виде:

где α 12 = α 1 − α 2 - называется дифференциальной или удельной термоэлектродвижущей

силой данной пары металлов.

Если α 12 слабо зависит от температуры, тогда формулу (П9) можно приближенно представить в виде:

ε = α 12 (T В − Т А ) (П10)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ АУД. 317

1. Подготовить к работе цифровой универсальный вольтметр В7-23, для этого нажать на передней панели прибора на кнопку «сеть», а затем на кнопку «авт.» автоматической установки предела измерений.

2. Подключить к цифровому вольтметру В7-23 образцовую термопару. Для этого переключатель «П» блока термопар перевести в положение «ТП0 ».

3. Установить на источнике нагревателя термопар ток нагрузки Iн = 0,6 А. Чтобы включить нагрев рабочих спаев образцовой и исследуемой термопар, сетевой тумблер источника питания нагревателя установить в положение «вкл.»

4. При достижении температуры нагревателя термопар, при которой ЭДС образцовой термопары достигнет значения ε 0 = 0,5мВ ,

необходимо ко входу цифрового вольтметра В7-23 вместо образцовой термопары подключить исследуемую термопару. Для этого переключатель «П» блока термопар следует быстро перевести в положение «ТПн » и занести в таблицу результатов измерений, полученное значение ЭДС исследуемой термопары ε н .

Таблица 1

				t н = ∆ t + t ср ,
нагревате	ε0 ,	εн ,	tср ,	t н = ∆ t + t ср ,

Ін , А

5. Увеличить ток нагревателя до 0,8А.

6. Снова переключателем «П» подключить к цифровому вольтметру В7-23 образцовую термопару.

и при достижении ЭДС образцовой термопары значения ε 0 = 1,00мВ

переключатель «П» перевести в положение, соответствующее измерению ЭДС исследуемой термопары. Полученное значение ЭДС исследуемой термопары ε н занести так же в таблицу 1 результатов измерений.

7. Увеличить ток нагревателя на 0,1А

и при значении ЭДС образцовой термопарыε 0 = 1,50мВ

переключатель «П» перевести в положение, соответствующее измерению ЭДС исследуемой термопары ε н занести в таблицу 1 результатов измерений.

8. Аналогичным способом, увеличивая ток нагревателя согласно рекомендациям таблицы 1, измерить ЭДС исследуемой термопары при значениях ЭДС образцовой термопары 2,00мВ; 2,50мВ; 3,00мВ; 3,50мВ; 4,00мВ; 4,50мВ; 5,00мВ; 5,50мВ; 6,00мВ;

6,50мВ; 7,00мВ.

9. По результатам выполнения измерений ЭДС образцовой термопары (см. табл.1), используя градуировочную таблицу значений ЭДС образцовой термопары, определить разность температур нагретого и холодного концов термопар ∆t и записать в таблицу1.

10. Определить действительные значения температур нагревателя, как t н = ∆ t + t ср и

записать полученные значения температуры нагревателя в таблицу 1. Здесь t ср – температура среды.

11. Используя данные градуировочной таблицы и таблицы 1 построить на миллиметровой бумаге график зависимости ЭДС образцовой и исследуемой термопары от разности температур концов.

12. Используя графики зависимости ЭДС образцовой и исследуемой термопар от разности температур концов по углу наклона полученных прямых, определить значения

коэффициентов т. э.α о 12 д. с. образцовой и α н 12 исследуемой термопар по формуле:α 12 = ∆ ε / ∆ t

13. Коэффициент т. э. д. с.α 12 - величина, зависящая от коэффициентов т. э. д. с. веществ α 1 и α 2 , из которых изготовлены термопары, и равна их разности α 12 = α 1 − α 2 .

14. Используя данные таблицы 2 для коэффициентов α 1 и α 2 т. э. д. с. материалов, из которых изготовлена используемая в данной лабораторной работе в качестве образцовой хромель-копелевая термопара, рассчитать значение коэффициента т. э. д. с. α о 12 этой

термопары. Сравнить полученное значение коэффициента т. э. д. с. α о 12 со значением коэффициента т. э. д. с. α о 12 , полученным при выполнении п.13 задания.

15. Используя данные таблицы 2 определить материал, из которого изготовлен термоэлектрод А исследуемой термопары, если известно, что термоэлектрод В исследуемой термопары изготовлен из алюмеля, для которого α 2 = -17,3мкВ/град

Таблица 2. Коэффициенты термоЭДС некоторых материалов относительно свинца

Коэффициент

Материал

термоЭДС,

Sb (сурьма)

Fe (железо)

W (вольфрам)

Au (золото)

Ag (серебро)

Pb (свинец)

Pt (платина)

Ni (никель)

Bi (висмут)

Константан

молибдена)

CuO (окись меди)

Ι) Проверить на рабочем месте правильность сборки схемы установки, согласно монтажной схеме(см. рис. ниже)

Рис. Монтажная схема: А - потенциометр, В - электропечь с термопарами, С - источник питания печи, ТХА -хромель-алюмелевая термопара.

ΙΙ) Прежде, чем включить источник питания в сеть (ТЕС-88), необходимо ручки грубой и точной регулировки тока I установить в крайнее правое положение, вращая их по часовой стрелке до упора, а ручки грубой и точной регулировки напряжения U в крайнее левое положение, вращая их против часовой стрелки до упора. Затем включить источник питания в сеть. Ручкой грубой регулировки напряжения U установить напряжение 4,0 В. После подогрева печи в течение 5 минут, произвести измерения т. э. д. с. датчика-температуры (термопары ТХА) и т. э. д. с. исследуемых термопар №1 и №2. Для этого подготовить прибор Р4833 к работе:

Порядок работы с прибором Р4833 при измерении ЭДС и напряжения:

1. Перед началом работы все кнопки потенциометра должны быть отжаты!

2. Нажмите кнопки «Г», «БП», «НЭ», «П».

3. Нажмите кнопку « 1».

4. Произведите установку (контроль) рабочего тока первого контура потенциометра. Для этого установите стрелку гальванометра на ноль вращением ручек рабочий ток «1 » (грубо) и «1 » (точно) вначале при нажатой кнопке , затем при нажатой кнопке .

5. Нажмите кнопку « 2».

6. Произведите установку (контроль) рабочего тока второго контура потенциометра. Для этого установите стрелку гальванометра на ноль вращением ручек рабочий ток «2 » (грубо) и «2 » (точно) вначале при нажатой кнопке , затем при нажатой кнопке .

7. Подключите объект измерения к зажимам «-x», «mV», соблюдая полярность.

8. Произведите измерение:

Нажмите кнопку «I».

Добейтесь полной компенсации измеряемого напряжения, установив стрелку гальванометра на ноль вращением ручек декадных переключателей «×10Ω (mV)», «×1Ω

(mV)», «×0.1Ω (mV)», «×0.01Ω (mV)» вначале при нажатой кнопке , затем при нажатой кнопке .

Значение измеренного напряжения в mV будет равно сумме показаний декад.

ΙΙΙ) В дальнейшем, увеличивая каждый раз напряжение на 1,0 В, до величины равной 8,0 В, последовательно произвести измерения т. э. д. с. ε ТХА , ε X 1 , ε X 2 как указано в пунктах 7 и 8. Занести все значения в таблицу 1.

					Таблица 1
ε X 1 , мВ	ε X 2 ,мВ	ε ТХА , мВ	∆t , град	C X 1 , мВ/град	C X 2 , мВ/град

ΙV) Используя график термопары ТХА (см. на следующей странице) , по значению ε ТХА найти ∆t . Данные записать в таблицу №1.

V) Зная величины т. э. д. с. ε X 1 и ε X 2 , и ∆t , на одной координатной сетке построить графики зависимости ε X 1 и ε X 2 , как функции от ∆t .

VΙ) По формуле C = ε / ∆t рассчитать постоянные термопар C X 1 и C X 2 и вычислить их средние значения. Окончательно заполнить таблицу 1.

Рис. График термопары ТХА

В 1821 году физик Т. Зеебек (1770-1831), родившийся в Эстонии, а учившийся в Германии, изучая тепловые эффекты в гальванических устройствах, соединил полукруглые элементы, изготовленные из висмута и меди . Неожиданно стрелка компаса, случайно лежавшего рядом, отклонилась (рис. 3.34А). Он проверил этот эффект на других соединениях металлов при разных температурах и обнаружил, что каждый раз получается различная напряженность магнитного поля. Однако, Зеебек не догадался, что при этом через элементы течет электрический ток, поэтому назвал это явление термомагнетизмом .

Если взять проводник, и один его конец поместить в холодное место, а другой - в теплое, от теплого участка к холодному будет передаваться тепловая энергия. Интенсивность теплового потока при этом пропорциональна теплопроводности проводника. В дополнение к этому градиент температур приводит к появлению в проводнике электрического поля, обусловлено эффектом Томсона (В. Томпсон открыл этот эффект приблизительно в 1850 году. Он заключается в поглощении или высвобождении тепла линейно пропорционально току, проходящего через однородный проводник, имеющий градиент температуры вдоль его длины. При этом тепло поглощается, если ток и тепловой поток направлены в противоположных направлениях, и выделяется - когда они имеют одинаковое направление). Индуцированное электрическое поле приводит к появлению разности потенциалов:

где dT - градиент температуры на небольшом участке длины dx, α а - абсолютный коэффициент Зеебека материала . Если материал однородный, а а не зависит от его длины, и уравнение (3.87) принимает вид:

Уравнение (3.88) является основным математическим выражением для термоэлектрического эффекта. На рис. 3.34Б показан проводник с неравномерным распре-

3.9 Эффекты Зеебека и Пельтье

делением температуры Г вдоль его длины х. Градиент температуры между произвольно расположенными точками определяет термо э.д.с между ними. Другие значения температур (например, T 3 T 4 и Т 5) не влияют на значение э.д.с. между точками 1 и 2. Для измерения э.д.с. вольтметр подсоединяется к проводнику, как показано на рис. 3.34 Б. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Для измерения термо э.д.с. надо соответствующим образом подключить щупы вольтметра. Однако щупы вольтметра часто изготовлены из проводников, отличающихся от исследуемого проводника. Рассмотрим простой контур для измерения термо э.д.с. (рис. 3.35 А). В таком контуре измеритель включается последовательно с проводником. Если контур выполнен из одинакового материала, то тока в цепи не будет, даже при неравномерной температуре вдоль его длины. Поскольку в этом случае две половины контура создадут токи равной величины, но противоположного направления, которые взаимно уничтожат друг друга. Термо э.д.с. возникает в любом проводнике с неравномерной температурой, но ее часто невозможно измерить напрямую.

соединение

Рис. 3.34. А - опыт Зеебека, Б - переменная температура вдоль проводника является причиной возникновения термо э.д.с

Рис. 3.35. Термоэлектрический контур: А - соединение идентичных металлов не приводит к появлению тока при любой разности температур, Б - соединение разных металлов индуцирует ток А/.

Для исследования термоэлектричества необходимо иметь контур, составленный из jx&yx разных материалов (или из одинаковых материалов, но находящихся при различных условиях, например, один - в напряженном состоянии, а другой нет).

Только тогда возможно определить разницу их термоэлектрических свойств. На рис. 3.35Б показан контур, состоящий из двух различных металлов, в котором возникает разность токов: . Величина Δi зависит от многих факторов, включая форму и размер проводников. Если вместо тока измерять напряжение на разомкнутом проводнике, разность потенциалов будет определяться только типом материалов и их температурой и не будет зависеть ни от каких других факторов. Индуцированная теплом разность потенциалов называется напряжением Зе-ебека.

Что происходит, когда два проводника соединяются друг с другом? Свободные электроны в металле ведут себя как идеальный газ. Кинетическая энергия электронов определяется температурой материала. Однако в разных металлах энергия и плотность свободных электронов не являются одинаковыми. Когда два разных материала, находящихся при равной температуре, соприкасаются друг с другом, свободные электроны за счет диффузии перемещаются через место соединения . Электрический потенциал материала, принявшего электроны, становится более отрицательным, а материал, отдавший электроны, - более положительным. Разные концентрации электронов с двух сторон соединения формируют электрическое поле, уравновешивающее процесс диффузии, в результате чего устанавливается некоторое равновесие. Если контур является замкнутым, и оба соединения находятся при одинаковой температуре, электрические поля около них взаимно уничтожаются, чего не происходит, когда места соединений имеют разную температуру.

Последующие исследования показали , что эффект Зеебека является электрическим по своей природе. Можно утверждать, что термоэлектрические свойства проводников - это такие же объемные свойства материалов, как электро- и теплопроводность, а коэффициент α а - уникальная характеристика материала. При комбинировании двух разных материалов (А и В) всегда требуется определять напряжение Зеебека. Это можно сделать при помощи дифференциального коэффициента Зеебека:

Тогда напряжение на соединении равно:

dV AB = α AB UT. (3.90)

Уравнение (3.90) иногда применяется для определения дифференциального коэффициента:

Например, функцию напряжения от градиента температуры для термопары Т-типа можно с достаточной степенью точности аппроксимировать при помощи уравнения второго порядка:

Тогда выражение для дифференциального коэффициента Зеебека принимает следующий вид:

3 9 Эффекты Зеебека и Пельтье I I 3

Из уравнения видно, что коэффициент является линейной функцией от температуры. Иногда он называется чувствительностью термопарного соединения. Эталонное соединение, которое, как правило, находится при более холодной температуре, называется холодным спаем, а второе соединение - горячим спаем. Коэффициент Зеебека не зависит от физической природы соединения: металлы могут быть скручены, сварены, спаяны и т.д. Имеет значение только температура спаев и свойства металлов. Эффект Зеебека является прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую.

В Приложении приведены значения термоэлектрических коэффициентов и объемных удельных сопротивлений для некоторых типов материалов. Из соответствующей таблицы видно, что наилучшая чувствительность получается при соединении двух металлов, имеющих противоположные знаки коэффициентов а при их максимально возможных значениях.

В 1826 году А. Беккерель предложил использовать эффект Зеебека для измере
ния температуры. Однако первая конструкция термопары была разработана Генри
Ле-Шателье почти шестьюдесятью годами позже . Ему удалось обнаружить, что
соединение проводов из платины и сплава платины и родия позволяет получить
наибольшее термонапряжение. Ле-Шателье изучил и описал термоэлектрические
свойства многих комбинаций металлов. Полученные им данные до сих пор исполь
зуются при проведении температурных измерений. В Приложении приведены зна
чения чувствительности некоторых наи-
более распространенных типов термо
пар, соответствующие температуре 25°С,
а на рис. 3.36 показаны напряжения Зе
ебека для стандартных термопар в ши
роком температурном диапазоне. Следу
ет отметить, что термоэлектрическая
чувствительность не является постоян
ной во всем интервале температур, и тер
мопары обычно сравниваются при 0°С.
Эффект Зеебека также используется в
термоэлементах, которые, по существу,
представляют собой несколько последо
вательно соединенных термопар. В на
стоящее время термоэлементы часто
применяются для детектирования тепло
вых излучений (раздел 14.6.2 главы 14).
Первые термоэлементы, изготовленные из проводов, были разработаны Джейм
сом Джоулем (1818-1889) для увеличениявыходного напряжения измерительного
устройства.

В настоящее время эффект Зеебе ка применяется в интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких датчиков является термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает достаточно большим коэффициентом Зеебека, на его основе изготавли-

ваются высокочувствительные термоэлектрические детекторы. Эффект Зеебека связан с температурной зависимостью энергии Ферми Е р поэтому коэффициент Зеебека для кремния n-типа можно аппроксимировать функцией от электрического удельного сопротивления в интересующем температурном диапазоне (для датчиков при комнатной температуре):

где р 0 ≈5х10 -6 Омхм и т≈2.5 являются константами, к - постоянная Больцмана, a q - электрический заряд. При помощи легирующих добавок получают материалы с коэффициентами Зеебека порядка 0.3...0.6 мВ/К. В Приложении приведены значения коэффициентов Зеебека для некоторых металлов и кремния. Из соответствующей таблицы видно, что коэффициенты Зеебека для металлов гораздо меньше, чем для кремния, и что влияние алюминиевых выводов на микросхемы незначительное из-за высокого значения коэффициента Зеебека для кремния.

В начале девятнадцатого века французский часовщик, в последствии ставший физиком, Жан Шарль Атанас Пельтье (1785-1845) обнаружил, что при прохождении электрического тока из одного материала в другой, в месте их соединения происходит либо выделение, либо поглощение тепла , что зависит от направления тока:

где i - сила тока, a t - время. Коэффициент р имеет размерность напряжения и определяется термоэлектрическими свойствами материала. Следует отметить, что количество тепла не зависит от температуры других соединений.

Эффект Пельтье - это выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через соединение двух различных металлов. Это явление характерно и для случаев, когда ток поступает от внешних источников, и когда он индуцируется в спае термопары из-за эффекта Зеебека.

Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что осуществляется изменением направления тока. Это свойство нашло свое применение в устройствах, где требуется осуществлять прецизионный контроль за температурой. Считается, что эффекты Пельтье и Зеебека имеют одинаковую природу. Однако следует хорошо понимать, что тепло

Пелътье и Джоуля отличаются друг от друга. Тепло Пельтье в отличие от джоулева тепла линейно зависит от силы тока. (Тепло Джоуля выделяется при прохождении электрического тока любого направления через проводник, имеющий конечное сопротивление. Высвобождаемая при этом тепловая энергия пропорциональна квадрату тока: Р = i 2 /R, где R - сопротивление проводника). Величина и направленность тепловой энергии Пельтье не зависит от физической природы соединения двух различных материалов, а полностью определяется их объемными термоэлектрическими свойствами. Эффект Пельтье используется для построения термоэлектрических охладителей, применяемых для снижения температуры детекторов фотонов, работающих в дальнем ИК диапазоне спектра (раздел 14.5 главы 14), а также охлаждаемых зеркальных гигрометров (раздел 13.6 главы 13).

Необходимо помнить, что в любом месте схемы, где соединяются два или более различных металла, имеющих разную температуру, всегда возникает термоэлектрический ток. Эта разность температур всегда сопровождается явлением теплопроводности Фурье, а при прохождении электрического тока вьщеляется тепло Джоуля. В то же самое время протекание электрического тока всегда связано с эффектом Пельтье: выделением или поглощением тепла в местах соединения различных металлов, при этом разность температур также вызывает появление эффекта Томпсона: нагрев или охлаждение проводников вдоль их длины. Эти два тепловых эффекта (Томпсона и Пельтье) выражаются в виде четырех составляющих в выражении для э.д.с. Зеебека:

где σ+- - величина, называемая коэффициентом Томпсона, которую сам Томсон называл удельной теплоемкостью электричества, проводя аналогию между а и обычной удельной теплоемкостью с, принятой в термодинамике. Величина о показывает с какой скоростью происходит выделение или высвобождение тепла на единицу разности температур и на единицу массы .

Звуковые волны

Звуковыми волнами называются периодические сжатия и расширения среды (твердых тел, жидкостей и газов), происходящие с определенной частотой. Компоненты среды совершают колебательные движения в направлении распространения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими волнами. Название звуковые связано с диапазоном восприятия человеческого слуха, который приблизительно составляет интервал 20...20000 Гц. Продольные механические волны ниже 20 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20 кГц - ультразвуковыми. Если бы классификация волн велась бы относительно других животных, например, собак, диапазон звуковых волн был бы значительно шире.

Детектирование инфразвуковых волн применяется при исследовании строительных конструкций, предсказании землетрясений и изучении других объектов, обладающих большими геометрическими размерами. Люди ощущают инфразву-ковые волны большой амплитуды, даже если их не слышат, при этом у них появ-

Глава 3. Физические приципы датчиков

ляются такие психологические явления, как паника, страх и т.д. Примерами волн звукового диапазона являются колебания струн (струнные музыкальные инструменты), вибрации столба воздуха (духовые музыкальные инструменты), звучание пластин (некоторые ударные инструменты, голосовые связки, громкоговоритель). Какова бы ни была природа возникновения звуков, всегда происходит попеременное сжатие и разрежение воздуха, при этом волны распространяются во все стороны. Спектр звуковых волн может быть весьма различным: от простых однотонных звуков метронома и трубы органа до богатых мелодий скрипки. Шум, как правило, обладает очень широким спектром. Он может иметь равномерное распределение плотности или присутствовать только на частотах определенных гармоник.

На стадии сжатия среды ее объем изменяется от V до V-ΔV. Отношение изменения давления Δр к относительному изменению объема называется объемным модулем упругости среды:

где р 0 - плотность вне зоны сжатия, a v - скорость звука в среде. Отсюда скорость звука определяется следующим образом:

Следовательно, скорость звука зависит от упругости (В) и инерционных свойств среды (р 0). Поскольку обе переменные являются функциями от температуры, скорость звука также зависит от температуры. Это свойство положено в основу акустических термометров (раздел 16.5 главы 16). Для твердых тел продольная скорость может быть определена через модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона W:

В Приложении приведены скорости распространения продольных волн в некоторых средах. Следует отметить, что скорость звука зависит от температуры, что всегда должно учитываться при разработке конкретных датчиков.

Рассмотрим распространение звуковой волны в трубе органа, где каждый маленький объемный элемент воздуха совершает колебательные движения вокруг состояния равновесия. Для чистой гармоники смещение элементарного объема относительно состояния равновесия можно описать следующим выражением:

где х - положение равновесия, у - смещение от положения равновесия, у т - амплитуда, а λ - длина волны. На практике бывает более удобно рассматривать изменение давления в звуковой волне:

3 10 Звуковые волны

где к=2π/λ - порядок волны, ω - угловая частота, а члены в первой круглой скобке соответствуют амплитуде р т звукового давления Следует отметить, что sin и cos в уравнениях (3 100) и (3 101) указывают на то, что фазы волн смещения и давления различаются на 90°

Давление в любой заданной точке среды не является постоянным Разность между мгновенным и средним значениями давления называется акустическим давлением Р Во время распространения волны вибрирующие частицы воздуха совершают колебательные движения вокруг положения равновесия с мгновенной скоростью ξ, Отношение акустического давления и мгновенной скорости (не путать со скоростью волны 1) называется акустическим импедансом

который является комплексной величиной, характеризующейся амплитудой и фазой Для идеальной среды (в которой нет потерь), Z - действительное число, связанное со скоростью волны соотношением

Интенсивность / звуковой волны определяется как мощность, переданная через единичную площадь Также ее можно выразить через величину акустического импеданса

Однако на практике звук чаще характеризуется не интенсивностью, а параметром β, называемым уровнем звука, определенным относительно стандартной интенсивности I 0 = 10 12 Вт/м 2

Такая величина I 0 выбрана потому, что она соответствует нижней фанице слуха человеческого уха Единицей измерения р является децибел (дБ), названный в честь Александра Белла При I=I 0 , β=0

Уровни давления также могут быть выражены через децибелы

Где P 0 =2х10 5 Н/м 2 (0 0002 мкбар)=2 9x10 9 psi

В таблице 3 3 приведены уровни некоторых звуков Поскольку человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки разных частот, уровни звука обычно приводятся для интенсивности I 0 соответствующей частоте 1 кГц, где чувствительность слуха максимальна

Таблица 3.3. Уровни звуков β при I 0 ,соответствующей 1000 Гц

Источник звука	дБ
Ракетный двигатель на расстоянии 50 м
Переход звукового барьера
Гидравлический пресс на расстоянии 1 м
Болевой порог
1О-Вт Hi-Fi громкоговоритель на расстоянии 3 м	ПО
Мотоцикл без глушителя
Рок-н-рол
Поезд метрополитена на расстоянии 5 м
Пневматическая дрель на расстоянии 3 м
Ниагарский водопад
Загруженная автодорога
Автомобиль на расстоянии 5 м
Посудомоечная машина
Разговор на расстоянии 1 м
Расчетное бюро
Городская улица (без транспорта)
Шепот на расстоянии 1 м
Шелест листьев
Слуховой порог

Принцип действия пт основан на эффекте зеебека. Эффект Зеебека: описание, объяснение и использование

История

Описание

Объяснение эффекта

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Фононное увлечение

Магнонное увлечение

Использование

Напишите отзыв о статье "Эффект Зеебека"

Ссылки

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Эффект Зеебека

Описание

Объяснение эффекта

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Фононное увлечение

Ссылки

Примечания

См. также

Смотреть что такое "Эффект Зеебека" в других словарях:

1.2 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА

ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

ЭФФЕКТ ТОМСОНА

Еще по теме статьи: