Thermoelectricity - ez

thermoelectricity
hatás Közvetlen átalakítás hő árammá a szilárd vagy folyékony vezetékek, valamint a fordított jelenség a közvetlen fűtési és hűtési találkozásánál két vezeték áramot vezetünk. A „thermoelectricity” magában három, egymással összefüggő hatások: Seebeck termoelektromos hatás és a Peltier hatás és a Thomson. Mindegyikük jellemzi a vonatkozó együtthatók, eltérő a különböző anyagokat. Ezek az együtthatók vannak összekötve úgynevezett Kelvin kapcsolatok. Ezek a meghatározás szerint a paramétereket a csomópontok, és a tulajdonságait az anyagok magukat. Egyéb jelenségek, beleértve hő- és villamos energia, mint elektronemisszióra és a termikus hatása a jelenlegi által leírt Joule-törvény - Lenz, jelentősen eltér a termoelektromos elektrotermikus hatások és itt nem vesszük figyelembe.
Lásd. Szintén
HEAT;
Elektronemisszió érdekében;
Termodinamika.
Seebeck termoelektromos hatás. 1820-ban azt jelentették, G.Ersteda, hogy egy mágneses tű deformálódik, közel a huzal egy elektromos áramot. 1821-ben T.Zeebek említett tű eltér is, amikor két ízületek a zárt áramkör, amely két különböző vezetőképes anyagok mennyisége tartjuk különböző hőmérsékleteken. Seebeck eleinte azt hitték, hogy ez egy tisztán mágneses hatás. De utána világos volt, hogy a hőmérséklet-különbség hatására a villamos áram az áramkörben (ábra. 1). Egyik fontos jellemzője, a termoelektromos tulajdonságainak alkotó anyagok az áramkör a feszültség végein nyitott áramkört (azaz, ha az egyik az ízületek elektromosan csatlakoztatva), mint a zárt hurok áram és feszültség-függő ellenállás huzalok. Ez a feszültség VAB nyitott áramkör (T1, T2), attól függően, hogy a T1 és T2 hőmérsékletű csomópontok (ábra. 2) nevezik termoelektromos elektromotoros erő (termikus EMF). Seebeck megalapozta a további munka területén thermoelectricity, mérésével a termo-elektromotoros ereje számos szilárd és folyékony fémek, ötvözetek, ásványi anyagok, és még számos anyagot, most hívott félvezetők.

Ábra. 1. termoelektromos Seebeck-effektus. A hőmérséklet-különbség az A és B vezetékeket vegyületek hatására áram a zárt áramkörben. A jelenlegi iránya attól függ, hogy a vezetőket speciális termoelektromos feszültség nagyobb abszolút nagyságát. A jelenlegi erőssége függ a hőmérséklet-különbség (Thot-TCold), egység termoelektromos ereje mind vezetékek és azok ellenállásuk.

Ábra. 2. Hőelemek (Hőátalakítók). Amikor különböző hőmérsékleteken a két csomópont a vezetékek A és B a feszültséget a végén a nyitott áramkör - thermoelectromotive erő a hőelem. Bejelentkezés termoelektromos feszültség függ a célra, amelyre az egyik vezetékek nagyobb abszolút értéke az adott termo-emf. A nagysága a Thermo elektromotoros erő a hőelem függ a hőmérséklet-különbség, és a specifikus termo-emf mindkét vezető.

Peltier. 1834-ben a francia órák Zh.Pelte észre, hogy közben a folyosón keresztül áram találkozásánál két különböző vezetékek csomópont hőmérséklete változik. Ahogy Seebeck, Peltier először nem látni ebben elektro-termikus hatása. De 1838-ban E.H.Lents, tagja a szentpétervári Tudományos Akadémia, azt mutatta, hogy kellően nagy áram erősségét egy csepp vizet alkalmazva a kereszteződéshez, akkor sem fagy vagy felforraljuk, irányának megváltoztatása a jelenlegi. Ha az egyik irányba, a jelenlegi csomópont melegítjük, és az ellenkező - ez lehűtjük. Ez a Peltier-hatás (3.), Az inverze a Seebeck-effektus.

Ábra. 3. Peltier hatás (inverzét Seebeck-effektus). Amikor áram folyik át a áramköri álló vezetékek és B, az egyik csomópont melegíti fel, míg a másik - lehűtjük. Amelyben az felmelegszik, és hűteni - ez függ az irányt a jelenlegi az áramkörben.

Elektrotermikus Thomson hatást. 1854-ben, William Thomson (Lord Kelvin), azt találták, hogy ha a fémes hővezető egy ponton, és ugyanabban az időben, hogy át villamos áram rajta keresztül, a végén a vezeték, egyenlő távolságra a pont a fűtés (ábra. 4), egy hőmérséklet-különbség keletkezik. A végén, ahol a jelenlegi irányul arra a helyre, a fűtési, a hőmérsékletet csökkentjük, és a másik végén, ahol az aktuális irányul a fűtési pont, - emelkedik. Thomson együttható - az egyetlen termoelektromos együtthatóval, amely mérhető egységes karmester. Később, a Thomson azt mutatta, hogy mind a három jelenség thermoelectricity kapcsolódik a fent említett Kelvin kapcsolatok.

Ábra. 4. elektrotermikus Thomson hatást. Amikor egy áram áthalad a vezeték, a fűtött felezőpontja, egyik vége enyhén melegítjük, és a másik enyhén lehűtjük. Amelyben az felmelegszik, és hűteni - ez függ az irányt a jelenlegi az áramkörben.

Hőelem. Ha az áramkör anyagok ábra. 2 egységesek, a termo-elektromotoros erő függ csak a választott anyagot és a hőmérséklet a csomópontok. Ez a kísérleti beállított helyzetben nevezett törvény Magnus, a kérelem alapján az úgynevezett Hőelem - Eszköz mérésére hőmérsékletet, amely gyakorlati jelentőségű. Ha a termoelektromos tulajdonságait a vezető párok ismertek, és az egyik a csomópontok (mondjuk, egy T1 hőmérsékletre ábrán. 2) tartjuk pontosan ismert hőmérsékleten (például 0 ° C, a víz fagyáspontja), a termo-elektromotoros erő arányos a T2 hőmérséklet a másik csomópont. Hőelem platinát és platina-ródium ötvözetből mért hőmérséklet 0 1700 ° C, a réz és a konstantán többkomponensű ötvözet - a -160-tól + 380 ° C, és arany (nagyon kis kiegészítések a vas), valamint többkomponensű chromel - értékekre csak egy töredéke egy fokkal magasabb, mint az abszolút nulla (0 K vagy -273,16 ° C). Thermo EMF fémes hőelem, ha a hőmérséklet-különbség a végei, a 100 ° C, - a sorrendben 1 mV. Érzékenységének növelése egy hőmérséklet távadó, akkor lehetséges több hőelemek sorba (ábra. 5). Forgassa termofil, ahol az egyik vége a hőelem hőmérséklete T1, és a másik - hőmérsékleten T2. Hő- és villamos akkumulátor az összege az egyes termikus EMF hőelem.

Ábra. 5. Thermopile n azonos hőelemek sorba kapcsolt. Hő- és villamos hőelemből n-szer nagyobb termikus EMF a hőelem.

Mivel a hőelemek és csomópontok lehet kicsi és kényelmes a használata a különböző beállításokat, azokat széles körben használják a mérésére szolgáló eszközök, a rögzítés és a hőmérséklet szabályozása.
Termoelektromos tulajdonságai fémek. Seebeck hatás általában könnyebb, mint más termoelektromos hatás megbízhatóan mérhető. Ezért általában mérésére használt termoelektromos együtthatók ismeretlen anyagok. Mivel a termoelektromos feszültség határozza meg a tulajdonságok a két ág egy hőelem, egy ága kell lennie egy bizonyos „referencia” anyagot, amelyről ismert, hogy „specifikus” Thermo-elektromotoros erő (termikus EMF fokonként hőmérséklet-különbség). Ha az egyik ága a hőelem van a szupravezető állapot, annak konkrét thermo-elektromotoros erő egyenlő nullával, és a termo EMF a hőelem határozza meg az egyedi termo-elektromotoros erő a másik ág. Így egy szupravezető - tökéletes „support” anyag mérésére speciális thermo EMF ismeretlen anyagokat. Amíg 1986-ban a legmagasabb hőmérséklet, amelyen a fém lehet tartani a szupravezető állapotban, csak 10 K (-263 ° C). Jelenleg, szupravezetők lehet használni legfeljebb körülbelül 100 K (-173 ° C). Magasabb hőmérsékleten elvégzéséhez szükséges a referencia méréseket nem-szupravezető anyagok. Szobahőmérsékletre, és valamivel magasabb hőmérsékleten hordozóanyag jellemzően egy vezető, és még mindig magasabb, - arany és platina.
Cm. És szupravezetés. Seebeck-effektus a fémek két összetevője van - ezek egyike kapcsolódik a diffúziós elektronok, és a többi miatt fonon húzza. Diffúziója az elektronok által okozott az a tény, hogy a fűtés a fém vezetővel egyik végén, hogy a végénél van sok elektront egy nagy mozgási energiával, és a másik - kicsi. A nagy energiájú elektronok diffúz felé hideg végén egészen a későbbi diffúzió nem akadályozza taszítás a felesleges negatív töltés elektronok lap itt. Ez a felhalmozódás a töltés határozza meg az alkatrész és a Thermo EMF társított diffúziója elektronok. Komponens társított fonon húzza felmerül az az oka, hogy a fűtés az egyik végét a vezeték növekszik ezen a végén a termikus energia atomi rezgések. Rezgések irányba terjedjen hidegebb végén, és ez a mozgás az atomok ütközik a elektronok át őket a megnövekedett energia és magával ragadja őket a terjedési irányát fonon - rács vibráció. Megfelelő töltési tároló komponensek határozzák meg a második termo-elektromotoros erő. Mindkét folyamat (diffúziója elektronok és fonon drag) jellemzően felhalmozódását eredményezheti elektronok hideg végén vezeték. Ebben az esetben az adott termo-elektromotoros erő definíció szerint negatívnak tekinthetők. De bizonyos esetekben, mivel a bonyolult eloszlását az elektronok száma különböző energiákkal az adott fém, és mivel a komplex minták elektron szórás és a rezgő atomok ütközések más atomok és elektronok, elektronok felhalmozódnak a fűtött végén, és az adott termo-elektromotoros erő pozitív. A legmagasabb termo-elektromotoros erő jellemző hőelemek álló fémek specifikus termo-elektromotoros ereje ellenkező előjelű. Ebben az esetben, az elektronok a mindkét fém mozog ugyanabban az irányban.
A termoelektromos tulajdonságai félvezetők. Az 1920-1930-es években a tudósok felfedezték, számos anyag alacsony vezetőképességű, most hívott félvezetők, a konkrét termo-elektromotoros erő, ami ezerszer nagyobb, mint a fémek. Ezért, a félvezetők, hogy nagyobb mértékben, mint a fémek, alkalmasak előállítására thermopiles amelyek igényel nagy thermo-elektromotoros erő vagy intenzív termoelektromos fűtés vagy hűtés. Mint abban az esetben a fémek, a termoelektromos teljesítmény-félvezetők két komponensből (kapcsolódik a diffúziós elektronok és fonon húzza velük), és lehet negatív vagy pozitív. Legjobb hőelemből nyert félvezetők thermo-elektromotoros ereje ellenkező előjelű.
Termoelektromos eszközök. Ha létrehoz jó termikus kapcsolódással egy csoportja hőelemből csomópontok bármilyen hőforrás, például kis mennyiségű radioaktív anyag, a kimeneti feszültség a hőelemből fog generálni. Hatékonysága konvertáló termikus energiát villamos ilyen termoelektromos generátorok eléri 16-17% (a termikus hatásfoka 20-40% a gőzturbinás erőmű). Termoelektromos generátorok használják a távoli helyeken a világon (például, a sarkvidéki) és a bolygóközi állomás, ahol a tápegységet az előírt hosszú élettartam, a kis méret, hiánya, mozgó mechanikai alkatrészek és csökkent érzékenységű az környezeti feltételek. Lehetőség van arra is, hogy csatlakozik a terminálok a hőelemből áramforrás, áthaladt a jelenlegi hőelemek. Az egyik csoport a termofil csomópontok fűthető, és a többi - cool. Így a termofil lehet használni akár egy termoelektromos fűtőelem (például, az üveg bébiétel), vagy mint egy termoelektromos hűtő.
Cm. És hűtőberendezések. Hatékonysága Hőátalakítók hőelektromos generátor összehasonlító becsült minőségi metrika Z = (S2sT) / k, ahol T - a hőmérséklet, S - fajlagos hővezető EMF, k - hővezető, és s - specifikus vezetőképesség. Minél nagyobb az S, a több termo-elektromotoros erő egy adott hőmérséklet-különbség. Minél nagyobb s, annál nagyobb lehet az aktuális az áramkörben. A kisebb K, annál könnyebb, hogy fenntartsa a kívánt hőmérséklet közötti különbség csomópontok a termofil.
IRODALOM
Calamagrostis AI Termodinamikai gőzt. Minsk 1973 Anatyrchuk LI et al. Hőátalakítók és termoelektromos eszközt. Kijev 1979 termoelektromos hűtők. 1983 M. Quinn T. hőmérsékleten. M. 1986