Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Термоэлектрические явления стали известны благодаря таким открытиям, как эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона. Термоэлектрические устройства позволяют получить электрическую энергию путём преобразования инфракрасных фотонов в ток. Преимущества использования таких устройств в области производства электроэнергии очевидны и многообразны. Фактически тепловая энергия доступна повсеместно за некоторым исключением, а для выработки электроэнергии достаточно иметь разность температур ΔT.

Термоэлектрические устройства и преимущественные стороны

Практика показывает: солнечная энергия доступна только в ясные дни, гидравлическая энергия требует водных источников, электрические генераторы требуют ископаемого топлива (нефть, уголь, природный газ). В свою очередь, тепловая энергия в некоторых случаях остаётся практически неисчерпаемой, тем более в условиях низкого энергопотребления.

Например, термоэлектрические устройства могут использовать тепло тела человека, обеспечивая неограниченное время работы некоторых медицинских систем. Среди возможных примеров:

  • доставка лекарств,
  • непрерывная диагностика,
  • мониторинг жизненно важных функций.

Другое явное преимущество заключается в том, что термоэлектрические устройства представляют надёжные конструкции, не требуют обслуживания, не используют движущиеся части или жидкости. Здесь налицо прямое преобразование энергии.

Термоэлектрический эффект допустимо применять в самых разных случаях. Среди примеров:

  • микроохлаждение,
  • микронагревание,
  • питание источников света.

При этом возможна рекуперация потраченной впустую тепловой энергии от солнечных батарей, двигателей, заводских или других систем отвода тепла. Преимущества применения термоэлектрических устройств в биомедицине легко объяснить лёгким весом, возможностью обеспечивать неограниченную мощность от тепла тела, безопасностью использования, стабильностью и надежностью.

Каким явлением отмечается эффект Зеебека?

Немец по происхождению — Томас Иоганн Зеебек, изучавший физику, в рамках проводимых экспериментов отметил интересное явление. В условиях соединения пары разных материалов, в точке соединения при разных температурах проявляется разница электрических напряжений. Немецким физиком было также обнаружено, что получаемые электрические напряжения пропорциональны разнице температур. Это физическое явление впоследствии получило определение — эффект Зеебека.

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Схематичный пример наглядно показывает эффект Зеебека, выражающийся получением напряжения от разницы температур на переходах спая двух разных материалов

Таким образом, отношение генерируемого напряжения к градиенту температуры определяется внутренними свойствами материала. То есть имеет место тот самый коэффициент Зеебека, который можно выразить формулой:

S = — ΔV / ΔT

Разница температур приводит к перемещению подвижных носителей заряда (электронов или дырок) в область холодного спая и остатку противоположно заряженных и неподвижных ядер в области горячего спая. Движение заряда приводит к повышению термоэлектрического напряжения. Создаваемое термоэлектрическое напряжение, соответственно, определяется уравнением:

V = (SA — SB) * ∆T

где SA и SB — коэффициенты Зеебека материалов A и B, соответственно, а ∆T — разность температур между переходами.

Каким явлением отмечается эффект Пельтье?

Кроме отмеченного выше эффекта, термоэлектрическим устройствам присущ также эффект Пельтье. Этим эффект характеризуется электрический ток, проходящий через соединение двух разнородных материалов, в концепции генерации или поглощения тепла, что определяется направлением тока. Эффект Пельтье обусловлен разницей энергий Ферми двух материалов. Теплота Пельтье, поглощаемая или отклоняемая переходом, определяется математическим уравнением:

Читайте также на Posovetujte.ru:  Беспроводная зарядка электромобиля: экспериментальная конструкция системы

dQ / dT = (ПА — ПВ)

где ПА и ПВ — коэффициенты Пельтье для материалов A и B, соответственно, I — ток, пропускаемый через материалы.

Фактически коэффициент Пельтье определяет количество тепла, поглощаемого материалом при прохождении через материал электрического тока.

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Каким явлением отмечается эффект Томсона?

Не менее важным для термоэлектрических устройство отмечается также эффект Томсона. По сути, здесь имеет место комбинация эффекта Зеебека и эффекта Пельтье. Это физическое явление обнаружил британский физик Уильям Томсон (1854 год).

Для этого явления характерным моментом видится то, что любой проводник тока с разницей температур между двумя точками, либо поглощает, либо излучает тепло в зависимости от свойств материала. Поглощенное или испускаемое тепло характеризуется теплотой Томсона (Q) и определяется математическим уравнением:

Q = (pJ2 – µ*J) * ∆T / dx

где ρ — удельное сопротивление материала, ∆T /dx — градиент температуры вдоль проводника, J — плотность тока, μ* — коэффициент Томсона.

Математический член ρJ2 в данном случае определяет джоулевый нагрев (необратимый), тогда как второй математический член µ*J — томсоновский нагрев, знак которого меняется с направлением электрического тока.

Анализ поведения на термоэлектрические устройства

С целью оценки характеристик термоэлектрических материалов в обращение введена так называемая безразмерная единица добротности. Показатель добротности определяется уравнением:

ZT = ꝍS2T / k

где σ, S, k – это электропроводность, коэффициент Зеебека, теплопроводность материала, соответственно.

Следовательно, качественный термоэлектрический материал должен иметь высокие значения, как электропроводности, так и коэффициента Зеебека, но низкие значения теплопроводности.

Высокая электрическая проводимость уменьшает джоулевую теплоту и увеличивает генерируемое термоэлектрическое напряжение. Одновременно низкая теплопроводность способствует снижению передачи тепла между спаями. Термоэлектрическое устройство состоит, как правило, из термоэлектрических пар, содержащих материалы p-типа и n-типа.

Термоэлектрические устройства + эффект Зеебека

Пример на современные термоэлектрические устройства: 1 — торцевая крышка; 2 — биметаллическая заглушка заправочной горловины; 3 — точка подъёма GSE; 4 — корпус алюминий; 5 — рёбра охлаждения; 6 — термоэлектрический модуль; 7 — интерфейс платы GPHS; 8 — торцевая крышка; 9 — изоляция; 10 — разъём в сборе; 11 — источник тепла; 12 — петля охлаждения; 13 — источник тепла линии изоляции; 14 — гелевый вентилятор; 15 — воздуходувные меха

Обладающий большим коэффициентом Зеебека материал, обычно имеет высокую эффективную массу и низкую концентрацию носителей. Именно по этой причине полупроводники имеют большие коэффициенты Зеебека по сравнению с металлами.

Выбор термоэлектрического материала зависит от добротности, которая, в свою очередь, зависит от коэффициента Зеебека и проводимости. Металлы обладают высокой электропроводностью, но имеют относительно низкий коэффициент Зеебека, что сопровождается низкой добротностью.

Следовательно, металлы нельзя считать удачными материалами для термоэлектрических устройств. С другой стороны, изоляторы обладают высоким коэффициентом Зеебека, но демонстрируют крайне низкую электропроводность. Это также сопровождается малой добротностью, что делает изоляторы непригодными для термоэлектрических устройств.

 

Между тем, полупроводники, в отличие от изоляторов и металлов, обладают высокими показателями добротности. Обусловлено это, как высокой электропроводностью полупроводников, так и относительно высоким коэффициентом Зеебека. Таким образом, полупроводники следует рассматривать наиболее подходящими элементами термоэлектрических устройств.

При помощи информации: NIU

Источник

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий