Термоэлектрические эффекты

К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты возникно­вения электродвижущей силы при создании разности температур меж­ду двумя контактными областями (явление термо-ЭДС или эффект Зее- бека), выделения или поглощения теплоты в контактах (эффект Пельтье), дополнительное по отношению к эффекту Джоуля - Ленца выделение или поглощение теплоты в объеме материала при пропускании через него тока в условиях градиента температуры (эффект Томсона).

В основе работы термоэлектрических преобразователей лежат два явления: прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Указанные явления вызывают 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.

У. Томсон (Кельвин) вывел термодинамическое соотношение между коэффициентом Пельтье (П) и Зеебека (α): Π = α ∙T, где Т ─ абсолютная температура Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов. Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи ε _AB (T 1, T 2), зависящее от температур T 1 и T 2 спаев, называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Знак термо-ЭДС зависит от того, для какого из проводников больше по абсолютной величине удельная термо-ЭДС. В небольшом интервале температур величину термо-ЭДС ε можно считать пропорциональной разности температур и коэффициенту Зеебека:

ε = α∙(T2 ─ T1), где Т 2  температура «горячего» контакта; Т 1  температура «холодного» контакта; α  коэффициент удельной термо-ЭДС (коэффициент Зеебека), который зависит в первую очередь от свойств материала, а также от температуры.

3-е ермоэлектрическое явление ─ Томсона эффекта. Оно заключается в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, существует перепад температур, то в дополнение к джоулевой теплоте в объеме проводника выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла Q T, пропорциональное силе тока I, времени t, перепаду температур (Т 2  Т 1) и коэффициенту Томсона τ, зависящему от природы материала:

QT =τ∙(T2 ─T1) I∙t.

В первом приближении явление Томсона можно объяснить следующим образом: в условиях, когда вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, то при совпадении направления тока с температурным градиентом (соответ-ствует движению электронов от горячего участка к холодному) электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота). В противном случае, электроны, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счѐт окружающих атомов (теплота поглощается) и ускоряются. Таким образом, причина всех термоэлектрических явлений ─ нарушение теплового равновесия в потоке носителей (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми). Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей, поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.

Поиск по сайту: