Термоэлектрические явления в металлах

Обновлено: 20.05.2024

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов. Другие явления, в которых участвуют теплота и электричество, такие, как термоэлектронная эмиссия и тепловое действие тока, описываемое законом Джоуля – Ленца, существенно отличаются от термоэлектрических и электротермических эффектов и здесь не рассматриваются.
См. также ТЕПЛОТА; ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ; ТЕРМОДИНАМИКА.

Термоэлектрический эффект Зеебека.

Электротермический эффект Пельтье.

В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном – охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Термопара.

Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T₁ на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0 ° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T₂ другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700 ° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от - 160 до +380 ° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или - 273,16 ° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100 ° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T₁, а другой – при температуре T₂. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

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

Термоэлектрические свойства металлов.

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

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

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

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

Термоэлектрические свойства полупроводников.

В 1920–1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.

Термоэлектрические приборы.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник. См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества

Z = (S 2 s T)/k,

где T – температура, S – удельная термо-ЭДС, k – удельная теплопроводность, а s – удельная электропроводность. Чем больше S, тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s , тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k, тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.

Вейник А.И. Термодинамическая пара. Минск, 1973
Анатырчук Л.И. и др. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев, 1979
Термоэлектрические охладители. М., 1983
Куинн Т. Температура. М., 1986

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Термоэлектрические явления в металлах и сплавах

Термоэлектрические явления - это ряд физических явлений, обусловленных взаимосвязью между электрическим током и потоками тепла в веществах и контактах между ними. Явление возбуждения термоэлектрического тока (явление Зеебека), а также тесно связанные с ним явления Пельтье и Томсона называются термоэлектрическими явлениями. Явления возникновения в ведущих средах ЭДС вследствие их неравномерного нагрева (термоэдс) или образование тепла, дополнительного к Джоулево, при протекании через среду электрического тока.

ЕфектЗеєбека

Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС между двумя контактами различных проводников, находящихся при разной температуре. Примером применения является термопара.Эффект Зеебека возникает в кругу, состоящее из двух спаянных между собой проводников (термопара). Один из контактов нагревают, и тогда в кругу возникает электрический ток. Разность потенциалов (электродвижущая сила), которая возникает между контактами, зависит от рода проводников контактов и от разницы температуры между контактами.

Установлено, что в замкнутом круге для многих пар металлов (например, Сu - Bi, Ag - Сu, Аu - Сu) э. Д. С. прямо пропорциональна разности температур в контактах. Эта э. Д. С. называется термоэлектродвижущая силой. Дело в том, что положение уровня Ферми зависит от температуры. Поэтому, если температуры контактов различны, то разными будут и внутренние контактные разности потенциалов. Таким образом, сумма скачков потенциала отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока.

Явление Зеебека не противоречащей второму принципу термодинамики, поскольку в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта). Итак, для поддержания постоянного тока в цепи рассматриваемого необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретого контакта непрерывно подводить теплоту, а от холодного - непрерывно ее отводить. Это явление используется для измерения температуры. Для этого применяются термоэлементы или термопары - датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Если контакты (обычно спаи) проводников, создают термопару, находятся при разных температурах, то в кругу виникаетермоелектрорушийна сила, которая зависит от разницы температур контактов и природы используемых материалов. Чувствительность термопар будет выше, если их совместить последовательно. Эти соединения называются термобатарея (или термостолбик).

Явление Пельтье

Явление Пельтье заключается в том, что при прохождении через контакт двух разных проводников электрического тока, в зависимости от направления, кроме Джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению явления Зеебека. В отличие от Джоулево теплоты, пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Согласно наблюдениям Пельтье, спай А, который при явлении Зеебека поддерживался бы при более высокой температуре, теперь будет охлаждаться, а спай В -нагреватся. При изменении направления тока спай А будет нагреваться, а спай В - охлаждаться.

Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Электроны по разные стороны спая имеют различную среднюю энергией (полной - кинетическую плюс потенциальную). Если электроны пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетки, и спай нагреваться. В спаи А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь энергию, которой не хватает, в кристаллических решеток, и спай охлаждаться. Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.

Ефект Томсона

Это явление нагрева или охлаждения проводника с током в условиях существования градиента температуры. Эффект Томсона характеризуется коэффициентом Томсона. Выделение или поглощение тепла можно записать в виде:

dQ = σI

При прохождении тока через неоднородно нагретый проводник носители заряда переходят из области высокой температуры, они имеют большую энергию, в область низкой температуры, или наоборот. При этом им нужно или получить энергию от колебаний решетки, охлаждая ее, или отдать энергию колебаниям решетки, нагревая ее. В общем случае, количество тепла, выделяемого в объеме dV, определяется соотношением:

dQ T = - σ( Tj ) dtdV

В полупроводниках важным является тот факт, что концентрация свободных носителей в них зависит от температуры. Если полупроводник нагретый неравномерно, то концентрация носителей заряда больше будет там, где высокая температура, поэтому градиент температуры приводит к градиенту концентрации, вследствие чего возникает диффузный поток носителей заряда. Это приводит к разделению зарядов, который приводит к возникновению электрического поля, которое направлено противоположно. Таким образом, если в полупроводнике является градиент температуры, то в нем возникнет объемное электрическое поле E.

Термоэлектрические явления в физике

Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Термоэлектрические явления

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

Термоэлектронная эмиссия. Работа выхода

Во всех металлах имеются свободные электроны, которые хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. Внутри металла действие положительных ионов

на свободный электрон в среднем скомпенсировано. На электрон, оказавшийся за наружным слоем положительных ионов, действует электрическая сила притяжения со стороны этих ионов. Когда электроны при своем хаотическом движении пересекают поверхность металла, эта сила тормозит их движение и втягивает обратно в металл. Это означает, что потенциальная энергия электрона в металле меньше, чем вне его. Таким образом, если потенциальную энергию электрона вне металла принять за нуль, то его потенциальная энергия внутри металла будет отрицательна.

Пусть имеется кусок металла, изображенный на рис. 18.1, а заштрихованным прямоугольником.

Возьмем ось х, перпендикулярную поверхности металла, и выберем начало отсчета 0. Изменение потенциальной энергии электрона в зависимости от координаты х показано на рис. 18.1, б. Потенциальная кривая имеет вид потенциальной ямы. При этом , равную по величине глубине потенциальной ямы

Так как скачок потенциальной энергии электрона обусловлен электрическим полем на границе металла, то

где — заряд электрона. Подставляя в (18.1) значение

Минимальную работу , которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла (и не вернуться в него), называют работой выхода. Практически можно считать, что работа выхода зависит только от рода металла и от чистоты его поверхности.

При нормальных условиях средняя кинетическая энергия хаотического движения свободных электронов в металле много меньше . Однако некоторые электроны, кинетическая энергия которых больше , могут покинуть поверхность металла. Поэтому над поверхностью металла всегда имеются хаотически движущиеся электроны. Поскольку при нагревании металла средняя кинетическая энергия его свободных электронов возрастает, то можно ожидать, что при достаточно высокой температуре количество свободных электронов, вылетающих в поверхности металла, существенно возрастет. Опыт показывает, что это действительно так. Вылет свободных электронов из металла, вызванный его нагреванием, называется термоэлектронной эмиссией. Заметная эмиссия электронов из металла наблюдается при температуре около 1000 К.

Возьмем- лампу накаливания с впаянным в нее дополнительным электродом А (рис. 18.2).

Присоединим этот электрод и нить накала К к батарее, включив в эту цепь гальванометр К. Если же лампа включена в сеть, то, когда электрод А соединен с отрицательным полюсом батареи, тока в гальванометре нет (рис. 18.2, а), а когда с положительным полюсом — ток есть (рис. 18.2, б). Это означает, что раскаленная нить К испускает отрицательные заряды, т. е. электроны, которые и являются носителями тока. При отрицательном заряде электрода А электроны держатся около нити, а при положительном заряде они устремляются от нее к электроду А.

Контактная разность потенциалов

Выясним, как возникает электризация при соприкосновении двух разнородных металлов (§ 14.5). Существуют две причины, вызывающие такую электризацию. Первая причина — это различие в работе выхода электронов из металлов; вторая — неодинаковая плотность электронного газа в металлах, т. е. различное число свободных электронов в единице объема металлов. Рассмотрим, к чему приводит различие в работе выхода электронов из металлов. Пусть имеются пластинки 1 и 2, сделанные из разных металлов, причем

Приведем эти пластинки в соприкосновение. Тогда потенциальная кривая для этого случая будет иметь вид, показанный на рис. 18.3, б. На графике видно, что для перехода электронов из металла 1 в металл 2 им нужно совершить работу . Поэтому многие электроны будут переходить слева направо даже и при комнатной температуре. Что же касается электронов в металле 2, то все те электроны, которые при хаотическом движении пересекут границу ВС, останутся в металле 1, так как их потенциальная энергия при этом уменьшается.

Наглядно все это можно представлять себе так: при переходе -из металла 1 в металл 2 электроны должны преодолеть потенциальную ступеньку, а при переходе из металла 2 в металл 1 электроны сами скатываются с потенциальной ступеньки

Разность потенциалов Контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода .электронов из металлов, может достигать нескольких вольт и практически не зависит от температуры.

Выясним теперь действие второй причины. Пусть концентрация свободных электронов п в первом металле больше, чем во втором, т. е.

Электрическое поле, которое появляется при этом в переходном слое между металлами, тормозит переход электронов из металла 1 в металл 2, и между потоками электронов в обе стороны быстро наступает подвижное равновесие.

Контактная разность потенциалов больше , поэтому поток электронов из металла 1 в металл 2 возрастает сильнее и разность потенциалов

Термоэлектродвижущая сила

Контактная разность потенциалов при одинаковой температуре всех контактов в замкнутой цепи из металлических проводников не может создать тока, так как она лишь уравнивает потоки электронов в противоположных направлениях (§ 18.2). Если найти алгебраическую сумму всех изменений потенциала в контактах такой цепи, то она будет равна нулю. Следовательно, в этих условиях контактная разность потенциалов не является э. д. с. (рис. 18.5).

Однако если температуры контактов С и D будут разными, то в цепи возникнет э. д. с.

Действительно, если подогреть контакт D, то в нем произойдет переход электронов из металла В в металл А, а контактная разность потенциалов в соединении D возрастет. Так как в металле А на конце D электронов стало больше, то они устремятся к концу С. Увеличение концентрации электронов на конце С вызовет их переход из металла А в металл В через контакт С. Отсюда они по металлу В перейдут к контакту D. Таким образом, если температура контакта D будет все время больше, чем контакта С, то по замкнутой цепи будет происходить направленное движение электронов против часовой стрелки. Следовательно, в такой цепи действует э. д. с. Э. д. с. в замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, которая обусловлена различными температурами контактов, называют термоэлектродвижущей силой (термо- э. д. c.). Термо-э. д. с. в цепи из двух различных металлов прямо пропорциональна разности температур их контактов и зависит от рода металлов. Электрическая энергия в такой цепи получается за счет внутренней энергии источника, поддерживающего разность температур контактов»

Заметим, что термо-э. д. с. невелика и достигает для металлов лишь нескольких стотысячных долей вольта на один градус разности температур контактов в цепи. Заметно большая термо-э. д. с. у полупроводников (она достигает тысячной доли вольта на градус). Это объясняется тем, что концентрация электронов в полупроводниках сильно зависит от температуры. Прибор, состоящий из двух разнородных металлов со спаянными концами, в котором создается электрическая энергия за счет внутренней энергии другого тела, поддерживающего разность температур спаев, называют термопарой или термоэлементом. У термопары делают один-спай, спаивая отрезки проволоки (или пластинки) из двух разнородных металлов, а к свободным концам присоединяют внешнюю--цепь и измерительные приборы. Роль второго (холодного) спая выполняют контакты с проводами внешней цепи (см. рис. 18.6, вверху — условное изображение).

§ 18.4. Явление Пельтье. Выясним, что произойдет, если в цепь из двух разнородных металлов А и В, изображенных на рис. 18.5 включить источник электрической энергии (рис. 18.7), который создаст ток такого же направления, как ток, возникающий в них при подогреве контакта

В этом случае поток электронов в спае . В спае С будет происходить обратное явление, электроны будут ускоряться, так как силы поля переходной области в этом контакте будут действовать на электроны в сторону их движения. Таким образом, в контакте С, наоборот, их потенциальная энергия будет переходить в кинетическую. Это означает, что при замыкании цепи, изображенной на рис. 18.7, контакт С — нагреваться. Опыт подтверждает этот вывод. Если в цепи переменить направление тока, то охлаждаться будет контакт С, а нагреваться — контакт

Это явление было обнаружено в 1834 г. французским ученым Ж. Пельтье и носит его имя. У металлов эффект Пельтье выражен очень слабо и с помощью металлических термопар нельзя добиться заметного охлаждения. Значительно сильнее он проявляется в полупроводниковых термоэлементах. Это позволило использовать эффект Пельтье на практике. На нем основано действие термоэлектрических холодильников, отличающихся простотой и компактностью.

Эффект Пельтье используется в медицине, например, для охлаждения инструмента, которым вынимают хрусталик из глаза при операции. После окончания операции хрусталик с помощью того же инструмента переносится снова в глаз. Конец этого инструмента является спаем двух разнородных полупроводников, который охлаждается при прохождении тока настолько, что, когда касается хрусталика, последний примерзает к нему. Переключение направления тока в инструменте снова освобождает хрусталик.

Применение термоэлектрических явлений в науке и технике

Выше говорилось, что э. д. с. термопары прямо пропорциональна разности температур спаев разнородных металлов. В некоторых случаях наблюдаются отклонения от этого правила, которые объясняются изменением внутреннего строения металла при определенных температурах. Однако для самых различных интервалов температур можно подобрать такие термопары, для которых это правило выполняется. Таким образом, измеряя э. д. с. термопары, можно определять разность температур спаев, т. е. измерять термопарой температуру. Точность измерения температуры при этом определяется точностью измерения э. д. с. вольтметром.

Так как в настоящее время имеются точные и чувствительные вольтметры, то термопары позволяют измерять очень малые разности температур. Кроме того, термопарой можно измерять как очень низкие, так и высокие температуры, поэтому термопары широко используются в науке и технике в качестве точных термометров. Одна из таких термопар показана на рис. 18.8. Опуская один из спаев (А) в тающий снег, определяют температуру другого спая (В) по вольтметру, шкала которого проградуирована в градусах. Иногда для увеличения чувствительности несколько термопар- соединяют в батарею (рис. 18.9).

Это позволяет измерять очень слабые потоки лучистой энергии (например, от звезды).

В практике часто используют термопары железо-константан (сплав )-алюмель (сплав

Термопары широко применяются не только для контроля, но и для автоматического регулирования температуры, поскольку от термопары данные о температуре поступают в виде электрического сигнала (термо-э. д. с.), который легко можно усилить с помощью электронных ламп и использовать для управления мощностью нагревателя.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Читайте также: