Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

7.4. ТермоЭдс. Термопара. Термоэлектрические эффекты Томпсона и Пельтье

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Дляизмерения температуры используетсятермоЭДС, см. (Рис. 46), возникающаяпри контакте двух различных проводников.Это явление было открыто в 1821 г.Т.

Зеебекоми получило названиеэффектаЗеебека.

Для многих комбинаций металловпри их соединении возникаетвнутренняяконтактная разностьпотенциалов,линейно зависящая от температурысоединения, если температурный диапазонне слишком велик.

Рис. 46. ТермоЭДС, возникающая при контактедвух различных проводников

Возникновение внутренней контактнойразности потенциалов обусловлено тем,что максимальная энергия свободныхэлектроновзависит от их концентрациии потому имеет различную величину дляразных металлов.

При соединении металловвозникаетдиффузияэлектронов изметалла с большей концентрацией и,соответственно, большей максимальнойэнергией свободных электронов в металлс меньшей концентрацией свободныхэлектронов.

В результате диффузииметаллы приобретают разноимённыезаряды, возникает внутреннее электрическоеполе, внутренняя разность потенциалов,а максимальные энергии свободныхэлектронов двух металлов становятсяравными.

Эта контактная разностьпотенциалов вместе с электрическимполем локализована в тонком слое вблизиконтакта. Для измерения температурыиспользуются два последовательныхконтакта металлов при различнойтемпературе (термопара), как показанона Рис. 47.

Рис. 47. Система двух последовательныхконтактов полупроводников или металловпри различных температурах Т1и Т2,используемая для измерения температуры.

Величина напряжения V,измеряемая вольтметром на Рис. 47,описывается выражением

V=T=ab(T1-T2),T1>T2, (7.4.1)

гдеab– коэффициент Зеебека.По известной Т2с помощьюнапряженияVна выходетермопары можно определить неизвестнуютемпературу Т1. Величина коэффициентаЗеебека зависит от физической природыконтактирующих проводников:

а) для контакта двух металлов

ab=ln, (7.4.2)

б) для контакта металла и невырожденногодырочного полупроводника

ab=(r+2+ln),(7.4.3)

в) для контакта металла и невыраженногоэлектронного полупроводника

ab=-(r+2+ln).(7.4.4)

Здесь =(r+2)kT– средняя энергия носителя тока,r– показатель степени в зависимостидлинысвободного пробега электрона от энергииэлектрона

 ~r. 7.4.5

При рассеянии на ионах примеси r=2,при рассеянии на акустических фононахr=0, при рассеянии наоптических фононахr=(TD).

В области температур Т~273 К коэффициентЗеебека для термопар из металла лежитв диапазоне от 6 до 68 мкВ/К и не зависитот площади контакта. Для проводниковвеличина может достигать 1 200 мкВ/К (Cu2O).

Для повышения чувствительности изтермопар собирают термобатарею,см. Рис. 48. С помощью термобатареи можнозафиксировать разность температурТ~1016К.

Рис. 48. Термобатарея

Термобатареи используются также вкачестве маломощных генераторов тока,где КПД преобразования тепловой энергиив энергию электрического тока достигает75% и выше (при использовании полупроводниковс разными типами проводимости). Основныепотери в таких генераторах обусловленытеплопроводностью. Примечательнымсвойством таких генераторов являетсяотсутствие движущихсячастей.

Преимущества термопары как датчикатемпературы:

  1. линейная связь между разностью температур Т и измеряемым напряжениемV;

  2. малая инерционность в силу формирования термоЭДС в малом объёме контакта;

  3. Возможность измерения температур в широком диапазоне значений: от сверхнизких (железо-золото) до очень высоких ~3 000 К (графит-карбид титана, графит-цирконат бора).

Напряжение на выходе термопары зависитне только от внутренней контактнойразности потенциалов, но также отджоулева тепла, которое меняеттемпературу термопары и вноситтемпературную погрешностьэффектаПельтьеиэффекта Томпсона. Дляуменьшения джоулева тепла схема измеренийдолжна иметь большую величину входногоимпеданса.

Эффект Пельтье(Ш. Пельтье, 1834 г.)заключается в выделении или поглощениитепла при прохождении электрическоготока через контакт двух различныхпроводников

QП12It, (7.4.6)

где П12– коэффициент Пельтье дляконтакта проводников 1 и 2, которыйзависит от природы проводника итемпературы контакта. При изменениинаправления токаIзнакQПизменяется напротивоположный (выделение теплапревращается в поглощение тепла инаоборот).

В известном опыте Ленца настыке стержней из висмута и сурьмы былапомещена капля воды. При пропусканииэлектрического тока в одном направлениивода замерзала, а при пропускании токав противоположном направленииобразовавшийся лёд таял.

Для металловкоэффициент Пельтье ~10-2-10-3В, а для полупроводников порядка3*10-1-10-3В. Эффект Пельтьеиспользуется для создания холодильников,где температура понижается до -14оС.

Причина эффекта Пельтье заключаетсяв том, чтосредняя энергияносителейтокав двух проводниках, находящихсяв контакте, несмотря на совпадениеуровня Ферми,различна. Для иллюстрациина Рис. 49 показан контакт металла иполупроводникаp-типа.

Рис. 49. Энергетическая диаграмма границыдвух проводников при возникновенииэффекта Пельтье

Если электрон переходит из металла вполупроводник, то поглощается теплоQ=Еп/п-Ем(переходят электроны с энергиейЕп/п,тепловое равновесие в металлевосстанавливается за счёт передачитепловой энергии решётки свободнымэлектронам металла). Если электронпереходит из полупроводника в металл,то выделяется теплоQ=Еп/п-Ем,которое передаётся решётке.

Эффект Пельтье приводит к понижениюили повышению температуры контактаотносительно температуры среды, поэтомуон вносит температурную погрешность,влияя на разность температур Т1-Т2и, соответственно, величину измеряемогонапряженияV.

Эффект Томсона(теоретическипредсказан У. Томсоном в 1856 г.; обнаруженэкспериментально Леру в 1867 г.) наблюдаетсяв неоднородно нагретых проводниках, покоторым протекает электрический ток.

Схема, позволяющая наблюдать эффектТомсона, показана на . Эффект Томсонапредставляет собой дополнительное(помимо джоулева тепла) выделение илипоглощение тепла при протекании токав неоднородно нагретом проводнике.

Процесс описывается выражением:

QT=σI(T1T2)t, (7.4.7)

где σ – коэффициент Томсона.

Заположительное направление, определяющеезнак тока, берётся направление, в которомрастёт температура (эффект Томсонасчитается положительным, если ток,текущий в направлении роста температуры,вызывает нагревание проводника). Приизменении направления тока и фиксированнойразности температур знак QTменяется на противоположный. Для висмутапри комнатной температуре σ~10-5В/К.

Эффект Томсона возникает благодарятому, что в проводнике с током существуетпоток энергии с интенсивностью

P=-(-e), (7.4.8)

где — средняя кинетическая энергия электронав потоке,- потенциал электростатического поляв проводнике. Отсюда следует, что в ед.объёма за ед. времени выделяетсяколичество теплоты

Q=(T1T2)t+j()t, (7.4.9)

где первое слагаемое описывает эффектТомсона, а второе эффект — Джоуля-Ленца.

Для металлов

==ln, (7.4.10)

для полупроводников n-типа

=ln+. (7.4.11)

Эффект Томсона вносит температурнуюпогрешность при измерении температурыс помощью термопары.

Важно отметить, что гальваническиенапряжения, вызванные влажностью икоррозией, могут оказаться на 2-3 порядкабольше термоЭДС.

Если использовать законы обратимойтермодинамики, то можно получитьсоотношения, которое связывают величины,и П:

QП1212I, (7.4.12)

(7.4.13)

П12(Т1)-П12(Т2)+( (7.4.14)

или в дифференциальной форме:

. (7.4.15)

Рис. 50. Схема, демонстрирующая эффектТомсона

Источник: https://studfile.net/preview/1827285/page:20/

Термоэлектрические преобразователи — термопары. Термо ЭДС

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

     Принцип работы, схемы включения и использования термопары, градуировка, точность измерения. Сплавы для термопар, изготовление.

      Принцип  работы  термопары  основан  на  термоэлектрическом  эффекте, который заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух  разнородных проводников возникает термо ЭДС (напряжение), если места  спаев  проводников имеют различные температуры.

Если  взять  замкнутый  контур,  состоящий  из разнородных проводников (термоэлектродов),  то  на  их   спаях   возникнет термо ЭДС E(t) и E(tо), которые зависят от температур этих спаев t и t0.

  Так  как рассмотренные термо ЭДС оказываются включенными встречно, то  результирующая  термоЭДС, действующая в контуре, будет определяться как E(t) — E(t0).

      В случае равенства температуры обоих  спаев результирующая  термо ЭДС  будет равна нулю.

На практике один из спаев термопары погружается в термостат (как правило тающий лед) и относительно его определяется разность температур и температура другого спая.

Спай, который погружается в контролируемую (исследуемую) среду,  называют  рабочим  концом термопары, а второй спай (в термостате) — свободным.

      У любых пар однородных проводников величина  результирующей  термо ЭДС  не зависит от распределения температуры вдоль проводников, а  зависит только от природы проводников и от температуры спаев.

  Если термоэлектрический  контур  разомкнуть в каком либо месте  и   включить  в  него разнородные проводники, то при условии, что все  появившиеся  при  этом  места  соединений находятся  при   одинаковой   температуре, результирующая   термо ЭДС  в  контуре,  не  изменится.

  Это  явление используется  для  измерения величины термоЭДС термопары. Возникающая в термопарах ЭДС  невелика:  она меньше 8 мВ на каждые 100 °С  и,  как правило,  не  превышает  по  абсолютной величине 70 мВ.

      С помощью термопар можно измерять температуры в интервале от -270  до  2200°С. Для измерения температур до 1100 0С используют  термопары  из

неблагородных металлов, для измерения температуры в пределах 1100 до 1600 °С  —  термопары из благородных металлов, а также сплавов платиновой группы. Для  измерения еще более высоких температур служат термопары  из  жаростойких  сплавов на  основе вольфрама.

       В настоящее время наиболее часто   для   изготовления   термопар используют платину, платинородий, хромель, алюмель.

       При  измерении   температуры   в   широком   интервале необходимо учитывать нелинейность функции  преобразования  термопары. Например,  функция  преобразования  медь — константановых   термопар   для диапазона температуры от -200 до 300 °С с погрешностью, примерно, ±  2  мкВ  описывается формулой

                              E = At2 + Bt + C,

где A, B и C — постоянные, которые определяются путем измерения  термо ЭДС  при  трех температурах, t — температура рабочего спая при °С.

      Постоянная времени (инерционность) термоэлектрических преобразователей зависит  от конструкции термопары, качества теплового контакта рабочего спая термопары и исследуемого объекта.

Для  промышленных  термопар  постоянная времени находится на уровне нескольких минут.

   Однако   существуют и малоинерционные термопары, у которых постоянная времени  лежит  в пределах 5 — 20 секунд и даже ниже.

      Измерительный  прибор подключается к контуру термопары в  свободный  конец  термопары  и  в  один  из  термоэлектродов.

      Как отмечено выше, при измерении температуры свободный конец  термопары должны находиться при постоянной  температуре.

  Если длины самой термопары недостаточно, то чтобы отвести этот конец в зону с  постоянной температурой,  применяют  провода,  которые состоят  из  двух   жил, изготовленных    из    материалов (металлов) имеющих     одинаковые термоэлектрические свойства с электродами термометра.

       Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие   провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды.

Для  термопар  из  благородных  металлов удлиняющие провода выполняются из других (не дорогих) материалов,  развивающих  в  паре между собой в интервале температур  0  —  150  °С  ту  же  термо ЭДС,  что  и электроды термопары.

Например, для термопары платина —  платинородий удлинительные термоэлектроды  делают из  меди  и  специального  сплава,  которые образуют термопару,  идентичную  по   термо ЭДС   термопаре   платина-платинородий   в интервале 0  —  150  °С.

  Для  термопары  хромель — алюмель  удлинительные термоэлектроды изготавливают  из  меди  и  константана,  а  для  термопары хромель  —  копель  удлинительными  могут быть  основные  термоэлектроды, выполненные  в  виде   гибких   проводов.   Если   неправильно  подключить удлинительные термоэлектроды, то может возникать существенная погрешность.

      В  лабораторных  условиях  температура  свободного   конца   термопары поддерживается равной 0 °С путем помещения его в  сосуд  Дьюара,  наполненный истолченным  льдом  с  водой.

  В   промышленных   условиях   температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 °С и как правило равна комнатной температуре(температуре в помещении).

  Так  как  градуировка термопар осуществляется при  температуре  свободных  концов  0 °С и таблицы градуировки приводятся относительно 0 °С,  то  это отличие может явиться источником существенной  погрешности;  для  уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания  термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов  термопары, так и значение измеряемой  температуры  (это  связано  с  тем,  что  функция преобразования  термопары  нелинейна);  это  затрудняет   точную   коррекцию погрешности.

      Для  устранения  погрешности  широко  применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов  термопары.

Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из  плеч которого является медный терморезистор, а остальные плечи образованы  манганиновыми терморезисторами.

При температуре свободных концов термопары, равной  0 °С, мост находится в равновесии; при  отклонении  температуры  свободных  концов термопары от 0  °С напряжение на выходе моста не равно нулю и  складывается  с термо ЭДС термопары, при этом внося поправку в показания  прибора  (значение  поправки можно регулировать  специальным  резистором).  Вследствие   нелинейности   функции преобразования термопары полной компенсации погрешности  не  удается добиться,  но указанная погрешность существенно уменьшается.

   На практике при использовании термопары чаще всего применяются следующие схемы подключения (в зависимости от необходимой точности). Для примера взята термопара медь (М) — константан (К):

Источник: https://sensorse.com/page9.html

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Определение 1

В замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов или полупроводников электрический ток не возбуждается, если температуры всех тел равны. В том случае, если температуры в местах контактов отличаются, то в цепи возникает электрический ток. Подобный ток называют термоэлектрическим. Появление термоэлектрического тока связанные с ним явления Пельтье и Томсона имеют название термоэлектричества.

Открытие явление термоэлектричества связано с именем Зеебека. Он исследовал это явление, но толковал его неправильно. Зеебек считал, что под влиянием разности температур в разных проводниках, которые соединены, идет выделение магнетизма.

Возбуждение термоэлектрического тока, например, наблюдают в следующем опыте. К пластинке сурьмы ($Sb$) припаивают пластинку меди ($Cu$). Между пластинками расположена магнитная стрелка.

В том случае, если один из спаев нагреть, то возникает ток, магнитная стрелка отклонится. По направлению отклонения стрелки было определено, что ток идет от меди к сурьме.

В том случае, если спай охлаждать, то направление тока изменяется на противоположное.

https://www.youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Металл или полупроводник, в направлении которого идет ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называют положительным, а другой — отрицательным. Первый является анодом, а второй катодом. В термоэлектрической паре медь — сурьма, сурьма станет положительной, а медь — отрицательной.

Термоэлектродвижущая сила

ЭДС термопары (${\mathcal E}$) складывается из электродвижущих сил обоих спаев. ЭДС одного спая ($f(t)$) зависит от рода контактирующих металлов и температуры. В таком случае запишем:

где $t_1$ — температура части с большей температурой, $t_2$ — температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) $\alpha ,$ который является характеристикой обоих металлов термопары, определяется как:

На практике величину $\alpha $ измеряют по отношению к свинцу (иногда к другому металлу). Это значит, что $\alpha $ измеряется для термопары, у которой одна ветвь составлена из изучаемого материала, другая — из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы ${\alpha }_{12}$ металла (1) по отношению к металлу (2) определен как:

где ${\alpha }_1и\ {\alpha }_2$ — величины коэффициентов термоэлектродвижущей силы металлов 1 и 2 по отношению к свинцу. Эти величины зависят от чистоты веществ и очень изменяются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, например термопар ($Cu$, $Bi$); ($Ag$, $Cu$), ($Au$, $Cu$), хорошо выполняется формула для ЭДС термопары (${\mathcal E}$):

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары может быть представлена как:

В соответствии с выражением (5) ЭДС становится равной нулю при $t_1=t_2$ и при $t_1+t_2=-\frac{\alpha }{\beta }$. Величина $\tau $, называется температурой нейтральной точки, она равна:

В том случае, если при $t_2=const$, увеличивать $t_1$, то ${\mathcal E}$ будет расти по параболическому закону и достигнет максимума при $t_1=\tau $, а потом станет равна нулю и изменит знак при температуре $t_1=2\tau -t_2.$ Температура, при которой величина ЭДС проходит через нуль называется точкой инверсии.

Термо ЭДС цепи, составленной из двух разных проводников, при небольшой разности температур ($\triangle T\to 0$), может быть выражена формулой:

Формула (7) показывает, что термо — ЭДС цепи есть разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, при этом в каждом из проводников появляется термо — ЭДС $\triangle {{\mathcal E}}_i={\alpha }_i\triangle T$(i=1,2).

Для того чтобы определить не только величину, но и направление термо — ЭДС приписывают определенный знак. Величина $\alpha $ считается положительной, если возникающий в проводнике термо ток течет от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае течет от проводника меньшим $\alpha $(алгебраически) к проводнику с большим $\alpha .$

Термоэлектрические свойства у полупроводников выражены существенно сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах слабо зависит от температуры, концентрации имеют одинаковые значения при низких и высоких температурах. У металлов слабо зависит положение уровня Ферми от температуры.

Значит, что коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не выше нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и дырок), так же как и все параметры (энергия носителей заряда, положение уровня Ферми) существенно зависят от температуры.

Коэффициент $\alpha $ значительно больше, чем у металлов, может достигать значении выше 1000 $\frac{мкВ}{К}$.

Термопара

Термоэлектричество может использоваться для того, чтобы генерировать электрический ток. Отдельная термопара (термоэлемент) имеет очень небольшую электродвижущую силу. Для того чтобы получить значительные напряжения термоэлементы соединяют последовательно в батареи.

Все нечетные спаи поддерживаются при одной температуре, четные при другой температуре. При этом электродвижущие силы отдельных элементов складываются. Термобатарея подобна тепловой машине, которая включена между нагревателем и холодильником.

В такой машине большая часть теплоты, которая получена от нагревателя, теряется на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар имеют очень маленьким КПД. Около 0,1%. Металлические термопары используют только для измерения температур и потоков лучистой энергии. Существенно продуктивнее батареи термопар из полупроводников.

При этом одну ветвь термопары изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью, другую из полупроводника с дырочной проводимостью. КПД полупроводниковых термопар достигает 15%.

Пример 1

Задание: Найдите термо — ЭДС пары железо — константан. Если абсолютные значения $\alpha $ относительно платины в интервале температур 0-100°С для Железа ${\alpha }_1-{\alpha }_{Pt}=+16\ \frac{мкВ}{К}$, для константана ${\alpha }_2-{\alpha }_{Pt}=-34,4\ \frac{мкВ}{К}.$

Решение:

Дифференциальная термо — ЭДС этой цепи равна:

\[16-\left(-34,4\right)=50,4\ \left(\frac{мкВ}{К}\right).\]

При разности температур спаев:

\[T_2-T_1=100\ \left(K\right).\]

Термо ЭДС этой пары будет равна:

\[50,4\cdot 100=5,04\ \left(мВ\right).\]

Ток в горячем спае будет течь от константана к железу.

Ответ: $5,04\ мВ.$

Пример 2

Задание: Объясните, почему возникает термо ЭДС.

Решение:

Для рассмотрения причины возникновения термо — ЭДС используем цепь из двух проводников (рис.1). Пусть температура контакта B равна $T_1$, температура контакта С равна $T$ ($T_1>T$). Температура контактов А и D одинакова и равна $T$.

Тепловые скорости электронов около контакта В больше, чем около контакта С, следовательно, в проводнике 2 появится поток диффундирующих электронов, который направлен от В к С.

На поверхности проводника 2 образуются электрические заряды и, значит возникает электрическое поле, его величина такова, чтобы в установившемся состоянии это поле порождает такой ток дрейфа, что он компенсирует ток диффузии.

Рисунок 1.

Значит, если в проводнике есть градиент температур, следовательно, в нем появляется градиент электрического потенциала.

Кроме того, термо — ЭДС вызвана не только диффузией в объеме, но и контактными скачками потенциала${\varphi }_{i12}\ и{\ \varphi }_{i21}\ $. Так как они зависят от температуры, то их сумма отлична от нуля. Напряжение, которое регистрирует вольтметр на рис.1, которое равно термо — ЭДС, складывается из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/termoelektrichestvo_termoelektrodvizhuschaya_sila_termopary/

Термоэлектрический эффект Зеебека. Область применения эффекта

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Эффект Зеебека(другое название – термоэлектрический эффект)— явление образования электродвижущей силы внутри замкнутой электропроводящей цепи, сформированной разнородными проводниками (изготовленными из ТЭМ) с помощью последовательного соединения и разницы в температуре на спаях. Обратный данному эффекту носит название эффекта Пельтье.

К числу термоэлектрических материалов (ТЭМ) относят сплавы, обладающие свойствами полупроводников, а также варианты химических соединений со значимыми термоэлектрическими параметрами, а потому подходящие для применения в конструкции термоэлектрических устройств. Есть три базовых варианта использования ТЭМ, в том числе для конструирования:

  • Термоэлектрических генераторов;
  • Термоэлектрических холодильников;
  • Измерителей температур (в диапазоне от абсолютного нуля до тысяч градусов по Кельвину).

Согласно опытам, в условиях незначительной температурной разницы между спаями термоэлектродвижущая сила в пропорциональном отношении сопоставима с разностью температур элементов, составляющих цепь.

Кроме того, любая диада с однородными проводниками, работающими в соответствии с законом Ома, обладает величиной термоэлектродвижущей силы, определяемой только качествами проводящих материалов и разностью температур, независимо от того, как эти температуры распределены между контактами.

Термопара

Если для формирования цепи использовались всего два различных проводника, то эта комбинация носит название термоэлемента или термопары. То, насколько высоким будет уровень термо-электродвижущей силы, определяется тем из каких материалов сделаны проводники и разница между температурами контактов.

Термопары применяются в основном для определения температур.

Чтобы производить измерение температурных значений вплоть для 1400 градусов по Кельвину, будет вполне достаточно применить неблагородные материалы, для измерителей с диапазоном до 1900 градусов будут нужны металлы, относящиеся к платиновой группе, а специальные особо сильные измерители изготавливаются из специальных жаростойких сплавов.

Наиболее обширно распространились модули типа хромель-алюмень. Они оптимальны для работы в окислительных средах, потому как во время нагревания на их поверхности образуется защитное покрытие из оксилов, что не даёт кислороду проникать внутрь сплава. В восстановительной среде эффект становится строго противоположным.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы применяются для того, чтобы с их непосредственной помощью преобразовывать тепловую энергию в электрическую.

Их работа в большинстве своём также построена на эффекте Зеебека, который может обеспечить даже преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму энергии электрической, которую тут же можно направлять на подпитку разнообразных устройств.

Подобные генераторы выгодно отличаются тем, что:

  • Гарантируют длительность срока службы без каких-либо проблемных моментов, а также отсутствие ограничений для хранения в неактивном состоянии;
  • Характеризуются устойчивым режимом работы, ликвидирую риск возникновения короткого замыкания;
  • Работают совершенно бесшумно, поскольку их конструкция не включает никаких подвижных элементов.

Благодаря своим свойствам эти генераторы активно используются в труднодоступных точках планеты, в местах с повышенными требованиями к устойчивости работы генератора и во многих отношениях являются просто незаменимыми.

Сферы применения эффекта Зеебека

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности – 3-8%.

Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано.

На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

  • Энергообеспечение космической техники;
  • Питание газо- и нефте- оборудования;
  • Бытовые генераторы;
  • Системы морской навигации;
  • Отопительные системы;
  • Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;
  • Преобразователи солнечной энергии;
  • Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c615e3c9e391400ae5f8253/5d3734e56f5f6f00adc2a8dc

������������������ ��������������� (���������)

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

������� ������ ���������

��� � 1821 �. �������� ���� ������� �������, ��������� ��� ������, ������������� � ���, ��� � ��������� �� ������ ������������� ���������� ��������� ���� ���������� �. �. �. (��� ���������� �����-�. �. �), ���� ����� �������� ���� ���������� �������������� ��� ������ ������������.

� ���������� ����, ����� ������������� ���� ������� �� ���� ��������� �����������, ��� ����� �������� �������������, ��� ���������.

�������� ������� ������� ����������� � ���, ��� ������� ��������� ����������, ��������������� ������������� �������������� ���� � �����������, �������� � ��-������� ���������� � ������������.

������� ���� ����� ���������� ������� ������� ����������, �� ��� ������� ����� ��������� ����� ����� ������� ������� � �������� �� ��������� � ��������, ��� ��������� ������������� � ���������� ������ ���������� �� �������� ����� � ���������.

� ���������� �� ����� ������ ����� ������������� ������ � ������������� �� �������� � ������������� �� �������.

��� ��� � ������ ����������� ��� ������ ��������, �� ��� ���������� ���� �� ��� � ������������ �������� ���������� �����-�. �. �. ��� ������� ���������� � ������������� ������� ������ �������, ��� ������������ � ��� �����-�. �. �. � �������� ������ ���� ���������� ��������������� ��� �, ����������� � ������ �� �������� � ���������� �������� ����������� ���� ��������� (���. 1,�).

���. 1.����� ������������������ ���� �� ���� � ���� �����������, ����� ��������� ��������������������� ������� � ���� � ������������� ���������.

�������������������� ����, ����������� � ���� �� ���� ����������� �����������, ����� �������� ��������������� ��� �� �� ������.

�� ����� ����������� �������, ��� ��� ��������� ���������� �� ������ ������������� ��� �����-�. �. �. ����� ����� ����. ������ ����� ���� ������ ����������� ������ �����, ��������������� ����������� ������������� ���������, ��� ������� ��� ��������� �����������.

��������������� ���� ��������� �� ��������� �� �������� � �� ���� �������� ����������, ���� ����������� �� ��� ������ ����� �����������.

���� ������ ��������� ����� ���� ������� ��� � ���� �� �����, ��� � � ������ ������ �� ����������� (���. 1,6,�). ���� ����� ����� ���� ������������� � �� ��������� �����������, �������� � ���� ���������, ���� �� ����������� �� �� ������ ���� ���������.

������� � ���� ��������� ����� �������� ������������� ������ (����� ��������� �� �����������) � ������� � ���� �������������� �������, �� ������ ��������� ����������� �� �����-�. �.

�, ���� ������ ����������� ����� 1 � 2 ��� 3 � 4 (���. 1, � � �) ����� �����.

��� ���� ����������� ���� ����� ����� ���������� �� ����������� �� ������� �������, �� ����������� ����� ������� ������ ���� ���������.

���� ������������� ���� ��������� ����� ���������� ����������, �� ���������� � ��� ��� (� �������������, � ��������� �������) ����� �������� ������ �� ����������� �� �����-�. �. �, �. �. �� ���������� �������� (��������) � ���������� (���������) �� ������.

�����, ���� ������������ ���������� ����������� ���������� ����� ���������, ��������� ������� ����� �������� ������ �� ����������� �������� ����� ���������. ����� ������ ����� ���������� ��������������� ����������� �������� ���� ���������.

����� �������, ������������������ �������� ������� �� ��������� (���������������), ��������������������� ������� ����������� ���� � �������������� ��������.

�� �������������� ����� ������� ��������� ������.

1. ������ ������������ �������� ����� ��������� (������, �����, ������� � �. �.) �� ������ �� ����������� �� �����-�. �. �, ���� ������ ������� �������� ����� ������, ��� ����������� �� ���� ��� ������ ���������.

2. ��� ��� ����������, ���������� ��������, �������� �� �����- �. �. �, � ��� ���� ���������, �� ��������, ����� ������������� ���� � ������������ ���������� ���������� � ������ ��� �������� ��� �����������.

�� ��� ��� ����������� ��� ����������� ���������� ������, ��� ������������� ��������������� � �������������� �������� �������� � ���������� �����������, ��������� ���� �� �������������� ������������ ������: ����������� �� �������������� ������������� ����� �� ������������� ��� �����������.

��� ���������� ���� ����������� ������� ��� �������� ��������� ����������� ������������ (50�100 �� ��� ������ ����������, 200�500 �� ��� ����� ������) � � ����� ������������� ������������� �������������, � ��� ����� ��������� ������������� ����� (� �������������, � ����� ����� ����� � �����-�. �. �.) �������� � ����������� ������� ��� ���������� ���������� �����������.

3. ������������������ ��������� ������������ ������ ��� ������ ������������ ����������� ���������� ����� ��������� � ��� 0��. ������ � ������ ��� ����������� ���������� �� ��������������, � ���������� ����� ��������� ������ �������������� ����������� ������: ����������� �� ����������� ���������� ����� ���������.

��� ��� ��� ����������� ����� ��������� �������� ��������, �� ���������� � ��������� ������� ������� ��������������� ��������. ��� �������� ����� ���� ���������, ���� �������� ����������� ��������� ������.

��� ��� ����������� ���������� ����� ��������� ��� ����������� to ����� 0��, � � ������������ ���, ��� �������, ���� 0�� (��������� ����� ��������� ������ � ���������, ����� ��� ����������� ������ � ����, ����������� ������� ����������), �� �������� ���� ���������� ������ �������������� ���������� ����������� ��������� � �������� ���������� ���� ��������� �� �������� ��������.

������ ��� �������������� ����������� �����. ��� ���������� ���, ��� ������ ����������� ������������������ ����� �����-�. �. �. � ������������. ���� �� ����������� ����� ���� ����������������, �� �������������� ������ ������������ ������ ����� � � ���� ������ �������� �� ����������� ���������� ����� ��������� ����� ����� ��������������� ��� �����������.

����������� � ���� ��������

� ���������� ��� ��������������� ������������� ��������� ����������:

1) ������� �����-�. �. �. � ������� � ����������������� �������� �� ��������� �� �����������;

2) ������������� (�������������� ��� ������� ������������);

3) �������������� ���������� ������� � �������� ������� � �������� ���������� ����������;

4) ������� ������������� ������������;

5) ����� ������������� ����������� �������������;

6) ����������� ������������ � ������� ����������� � ����������� ����������� ����������.

������������� ������������������ �������� (���, International Electrotechnical Commission — IEC) ���������� ��������� ����������� ���� �������������� (�������� IEC 584-1). �������� ����� ������� R, S, �, K, J, �, � � ������������ � ���������� ���������� ����������.

� �������������� ��������� ���������� ��� ��������� ������� ����������, �� 600 — 1000 — 1500˚�. ������������ ��������� ������� �� ���� ����������� �������� ��� �������. ������� ���� (��������� ������ �û) ���������� � ����� ��������� �����������, � �������� ���� (�ջ) ��������� � ����, ��� ��������� ������������� ������.

� ��������� ����� ����������� ��������� ����������� ���������.

������������-���������� ���������.

��� ��������� ����� ���� ��������� ��� ��������� ���������� �� 1300�� ��� ���������� ���������� � �� 1600 �� ��� ���������������, ��� ������� �� ������������� � ������������� ������� �����.

��� ������� ������������ ������������-���������� ��������� ��������������� ���� ��� ����� �������� � �������, ������� ��� ����������� ��� ���������� � ��������� 630 — 1064��.

�������-���������� ���������. ��� ��������� ������������� ��� ��������� ���������� ��� ���������� ���������� �� 1000 �� � ��� ��������������� � �� 1300��. ��� ������� �������� � ���� �������� � ������������� ��������� (���� ����������� ����������� ����), ��� ��� �� ����������� ���������� ��� ������� ���������� ������ �������� ������ �������, �������������� ������������� ��������� � ������.

�������-��������� ���������. ��� ��������� ��������� �������� ����������� ��������� �� 600�� � �������������� �� 800 ��. ��� ������� �������� ��� � �������������, ��� � � ����������������� ���������, � ����� � �������.

������-��������� ���������. ������� ��������� � �� ��, ��� � �������-��������� ��������, ������� ������ � ����� ��. ��� ���� ������� �����-�. �. �. �� ��������� � ���������� ��: 30,9 �� ��� 500 ��, �� �� ����������� �� ����������� ����� � ����������������. ������������ ����������� ��������� �� �������� �������� �� ������������ �� ������ ���������.

����-��������� ���������. ��� ��� ���� � ������������� ��������� �������� ���������� ���������� ��� ��� 350��, �� ������� ������������ ���� �������� � 350 �� ��������� � 500 �� ��������������. � ������� ��� ��������� ����� ��������� �� 600 ��.

������ ����������� �����-�. �. �. �� ����������� ��� �������� ���������������� ��������. 1 � �������-���������; 2 � ������-���������; 3 � ����-���������; 4 � ����-350�; 5 � ����-360�; 6 � �������-����������; 7 � ������������-����������; 8 �����-340�; 9 � ��-30/6.

������������� ��������������� ����������� �������� �� ������������� �������� ���������� 0,13 — 0,18 �� �� 1 � ����� (� ��� �����), ��� ������������-���������� �������� 1,5�1,6 �� �� 1 �. ���������� ���������� �����-�. �. �. �� �������������� ��� ������������� �������� ���������� �1%, ��� ������������-���������� �0,3�0,35%.

����������� ��������� ������������ ����� ���� ��������� 21�29 �� � ������ 500 � 3000 ��. �� ������� ����� �������� ����� ������ ������������ ��� ����� (������ �� ��������) ������� � ������������ ��� ����������� ���������, � ������� ������������ ��� ���� ������� � ��������� ��������, ����������� �������.

� ���� �� ������� ����� �������������, � ������� ����������� �������������� ������, ������� � �������������� �������. ������ �������������� ������� ����������� � ������ �������� �����. ��� ������������� ��������������� ���������, � ������� ��������������� ���������, ��������� ���������� �������� � �������.

��� ���� ��������� ����������� ����� ���������� �����.

������ ���������

����� ���������� ����������: ������� �������������� ��������� � ���������� ���������� �� �������� � ������������� �������������� ���� (������� �������������� ��� �� ���������).

����� ������������� �����������: ����� ��� ���������� ���������� �� �������� � � � �������� ������������������ ���� � ����������, ������� ����������� T1 (������� ����) � T2 (�������� ����).

� ������ ���������� � ���������� ��������� �� ������� � � ���������� ��� ����� ��������.

����� ����������� ���������� � ��������� �� ���� �����, �� �������������� ��� ��������� �� ��������� (�� �������������� ����� �� ��������� ���)�.

Источник: http://ElectricalSchool.info/main/drugoe/597-termojelektricheskie-preobrazovateli.html

Термоэлектродвижущая сила

Определение 2

Термо ЭДС Ε – это величина сложения электродвижущих сил двух спаев. ЭДС 1-го спая f(t) зависит от вида контактирующих металлов и температуры.

Тогда запишем:

где t1 – это температура части с большей температурой, t2 – это температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) α, то есть характеристика 2-х металлов термопары, находится по формуле:

В опытах величину α измеряют по отношению к свинцу (а иногда и к другому металлу). Это означает, что α вычисляется для термопары, у которой 1 ветвь составлена из изучаемого материала, а 2-я – из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы α12 одного металла по отношению к другому металлу находится как:

где α1иα2– это значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы 1-го и 2-го металлов по отношению к свинцу. Данные значения зависят от чистоты веществ и сильно меняются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, к примеру термопар (Cu, Bi); (Ag, Cu), (Au, Cu), идеально подходит формула для ЭДС термопары Ε:

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары можно представить формулой электродвижущей силы:

Исходя из выражения (5) ЭДС становится равной 0 при t1=t2 и при t1+t2=-αβ. Величина τ – это температура нейтральной точки, которая равняется:

Если при t2=const, увеличивать t1, то Ε будет увеличиваться по параболическому закону, достигнув максимума при t1=τ, а потом будет равна 0 и сменит знак при температуре t1=2τ-t2.

Определение 3

Точка инверсии – это температура, при которой величина ЭДС проходит через 0.

Термо ЭДС цепи, которая составлена из 2-х разных проводников, при небольшой разности температур ∆T→0, может выражаться формулой:

Формула (7) демонстрирует, что термо ЭДС цепи – это разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, причем в каждом из проводников появляется термо ЭДС ∆Εi=αi∆T(i=1,2).

Для нахождения не только величины, но и направления термо ЭДС приписывают конкретный знак. Значение α считается положительным, если появляющийся в проводнике термо ток протекает от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае протекает от проводника с меньшим α (алгебраически) к проводнику с большим α.

Термосвойства у полупроводников выражаются намного сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах выражается не сильной зависимостью от температуры, а концентрации выражаются одинаковыми значениями при низкой и высокой температурах. У металлов наблюдается слабая зависимость положения уровня Ферми от температуры.

Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не превышает даже и нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и отверстий), точно так же как и все параметры (энергия носителей заряда и положение уровня Ферми) значительно зависят от температуры.

Коэффициент α намного больше по сравнению с металлами и может достигать значения более 1000 мкВК.

Booksm
Добавить комментарий