Термоэлектрический эффект зеебека: история, особенности и применение

Использует

Охладитель напитков с питанием от USB

Термоэлектрические охладители используются в приложениях, где требуется отвод тепла от милливатт до нескольких тысяч ватт. Они могут быть изготовлены как для небольших холодильников для напитков, так и для подводных лодок или железнодорожных вагонов. Элементы ТЕС имеют ограниченный срок службы. Их силу здоровья можно измерить по изменению их сопротивления переменному току (ACR). По мере износа охлаждающего элемента ACR будет увеличиваться.

Потребительские товары

Элементы Пельтье обычно используются в потребительских товарах. Например, они используются в кемпингах , портативных холодильниках, охлаждающих электронных компонентах и ​​небольших инструментах. Их также можно использовать для удаления воды из воздуха в осушителях . Электрический охладитель для кемпинга / автомобиля обычно может снизить температуру на 20 ° C (36 ° F) ниже температуры окружающей среды, которая составляет 25 ° C, если в автомобиле температура достигает 45 ° C под солнцем. Куртки с климат-контролем начинают использовать элементы Пельтье. Термоэлектрические охладители используются для увеличения радиаторов микропроцессоров.

Промышленное

Термоэлектрические охладители используются во многих областях промышленного производства и требуют тщательного анализа производительности, поскольку они проходят испытание на выполнение тысяч циклов перед тем, как эти промышленные продукты будут выпущены на рынок. Некоторые из приложений включают лазерное оборудование, термоэлектрические кондиционеры или охладители, промышленную электронику и телекоммуникации, автомобильную промышленность, мини-холодильники или инкубаторы, военные шкафы, IT-шкафы и многое другое.

Наука и изображения

Элементы Пельтье используются в научных устройствах. Они являются обычным компонентом термоциклеров , используемых для синтеза ДНК с помощью полимеразной цепной реакции ( ПЦР ), обычного молекулярно-биологического метода, который требует быстрого нагрева и охлаждения реакционной смеси для денатурационного отжига праймеров и циклов ферментативного синтеза.

Благодаря схеме обратной связи элементы Пельтье могут использоваться для реализации высокостабильных регуляторов температуры, которые поддерживают заданную температуру в пределах ± 0,01 ° C. Такая стабильность может использоваться в точных лазерных приложениях, чтобы избежать дрейфа длины волны лазера при изменении температуры окружающей среды.

Этот эффект используется в спутниках и космических кораблях для уменьшения разницы температур, вызванной прямым солнечным светом на одной стороне корабля, путем рассеивания тепла по холодной затененной стороне, где оно рассеивается в виде теплового излучения в космос. С 1961 года на некоторых беспилотных космических аппаратах (включая марсоход Curiosity) используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи), которые преобразуют тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека. Эти устройства могут прослужить несколько десятилетий, так как они работают за счет распада высокоэнергетических радиоактивных материалов.

Элементы Пельтье также используются для создания камер Вильсона для визуализации ионизирующего излучения . Просто пропуская электрический ток, они могут охлаждать пары до температуры ниже -26 ° C без использования сухого льда и движущихся частей, что упрощает создание и использование камер Вильсона.

Детекторы фотонов, такие как ПЗС-матрицы в астрономических телескопах , спектрометрах или цифровых камерах очень высокого класса , часто охлаждаются элементами Пельтье. Это уменьшает количество темноты из-за теплового шума . Темный счет происходит, когда пиксель регистрирует электрон, вызванный тепловыми колебаниями, а не фотон. На цифровых фотографиях, сделанных при слабом освещении, они появляются в виде пятен (или «пиксельного шума»).

Термоэлектрические охладители могут использоваться для охлаждения компонентов компьютера, чтобы поддерживать температуру в пределах проектных ограничений или для поддержания стабильной работы при разгоне . Охладитель Пельтье с радиатором или водяным блоком может охладить микросхему до температуры значительно ниже окружающей.

В волоконно-оптических приложениях, где длина волны лазера или компонента сильно зависит от температуры, охладители Пельтье используются вместе с термистором в контуре обратной связи для поддержания постоянной температуры и, таким образом, стабилизации длины волны устройства.

Некоторое электронное оборудование, предназначенное для использования в военных целях, имеет термоэлектрическое охлаждение.

Термоэлектрический эффект

Земли можно объяснить термоэлектрическим эффектом, действующим в химически и температурно неоднородной среде коры н мантии. Однако в тридцатые годы и даже во время второй мировой войны атомная физика и физика твердого тела развивались оч нь быстро, и в 1945 г. Эльзассер смог отвергнуть все % томарные процессы в роли источников магнитного поля Земли. Развивавшиеся квантовомеханические методы исследования атомов и молекул сделали очевидным, что высокие температура и давление ц земных недрах скорее подавляют, чем усиливают термо-электриче кий эффект и поэтому он совершенно непригоден для объяснения геомагнитного поля. Исходя из этого, Эльзассер заключил, что единственный из возможных механизмов — это индуцирование токрв и полей движениями в жидком металлическом ядре.
 

Это явление называется термоэлектрическим эффектом. Его физическая природа достаточно сложна, но упрощенно он объясняется диффузией свободных электронов через рабочий спай из проводника с большим их содержанием в другой проводник, где их меньше. Это явление и используется для измерения температуры.
 

Термоэлектрические процессы обусловливаются тремя термоэлектрическими эффектами: Зеебека, Пельтье и Томсона, которые обратимы и связаны друг с другом. Одновременно в термоэлектрических устройствах имеют место и необратимые процессы: теплопроводность, обусловленная перепадом температур на слое материала, и процесс выделения тепла Джоуля. Эти явления объясняются тем, что термоэлектрические процессы, в результате которых возникает электрический ток или которые являются результатом прохождения электрического тока по термоэлектрической цепи, сопровождаются обычными процессами, имеющими место в теплообменных аппаратах и электрических цепях.
 

Еще более сильно проявляется термоэлектрический эффект в термоэлементе из полупроводниковых материалов. Преимущество полупроводниковых термопар состоит в том, что они позволяют при той же разнице температур получать большие электродвижущие силы, чем термопары, выполненные из металлов.
 

Эффект Томсона, третий термоэлектрический эффект, состоит в выделении или поглощении тепла при пропускании тока через однородный проводник при наличии градиента темпе — ратуры.
 

Зе-ебеком в 1821 г. термоэлектрический эффект состоит в том, что в цепи проводов, содержащих соединения ( спаи) разнородных металлов, возникает электрический ток, если нагревать одно из соединений.
 

При каких условиях наблюдается первый термоэлектрический эффект, открытый Зеебеком.
 

Теоретическое и экспериментальное изучение термоэлектрического эффекта привело к установлению некоторых закономерностей, которые позволили практически использовать этот эффект для измерения температуры.
 

Этот метод основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников ( термопар), протекает постоянный электрический ток, при условии разности температур обоих спаев.
 

Этот способ основан на термоэлектрическом эффекте, смысл которого заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников ( термопара), при условии перепада температур на спаях проводников возникает постоянный электрический ток.
 

Термоэлектрические преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
 

Эти преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
 

Термоэлектрические преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
 

В приборах этого вида используется термоэлектрический эффект. Название пирометры, что означает приборы для измерения высоких температур, сохранилось до наших дней по традиции, хотя теперь этими приборами измеряют и очень низкие ( до — 200) температуры.
 

Общие положения

Теоретически как и всякий тепловая машина её эффективность ограничиваться эффективностью цикла Карно, но на практике потери приводят к выражению

η=(1−TcTh)1+zT−11+zT+TcTh{\displaystyle \eta =\left(1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}\right){\frac {{\sqrt {1+zT}}-1}{{\sqrt {1+zT}}+T_{c}/T_{h}}}},

где T_c и T_h — холодная и горячая температуры создающие градиент, zT — безразмерный параметр характеризующий преобразование тепла в электричество для конкретного материала. Этот параметр представляется в виде

zT=σS2Tκ{\displaystyle zT={\frac {\sigma S^{2}T}{\kappa }}},

где σ=neμ — проводимость графена, n — концентрация носителей тока (электронов или дырок), e — элементарный заряд, μ — подвижность носителей тока, S — коэффициент Зеебека, T — температура, κ — теплопроводность графена. Для графена теплопроводность складывается из двух вкладов: электронной (κ_e) и фононной частей (κ_p). Для повышения эффективности преобразования тепла в электричество в графене нужно увеличить коэффициент Зеебека, проводимость, температуру, но уменьшать теплопроводность. Но эти величины оказываются связаны некоторыми соотношениями, например согласно закону Видемана — Франца проводимость пропорциональна и электронной теплопроводности, а формула Мотта гласит, что при увеличении проводимости уменьшается коэффициент Зеебека. Так как графен амбиполярный материал, то одновременное присутствие уменьшению и дырок приводит к уменьшению коэффициента Зеебека, поэтому для эффективной работы теплопреобразователей нужно иметь конечную концентрацию носителей тока и, задача сводится к попыткам увеличить произведение двух параметров σS2, поскольку уменьшение теплопроводимости обычно достигается внесением дефектов, что в свою очередь уменьшает проводимость.

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Объёмная разность потенциалов

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Контактная разность потенциалов

Основная статья: Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов:

U=F2−F1e{\displaystyle U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}}}, где F{\displaystyle F} — энергия Ферми, e{\displaystyle e} — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Основная статья: Электрон-фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термо-ЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

Магнонное увлечение

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термо-ЭДС, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

История

В 1821 году Томас Иоганн Зеебек заново открыл, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В основе термоэлектрического эффекта лежит тот факт, что температурный градиент в проводящем материале приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячей и холодной областями, в свою очередь, создает разницу напряжений. В 1834 году Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил обратный эффект: прохождение электрического тока через соединение двух разнородных проводников может, в зависимости от направления тока, заставить его действовать как нагреватель или охладитель.

Физическое объяснение эффекта

Описанный термоэлектрический эффект является достаточно непростым явлением. Для его понимания рассмотрим систему, состоящую из медного и железного проводников, соединенных между собой

Обратим внимание на процессы, которые происходят в зоне контакта Cu-Fe, которая нагревается. Приобретая дополнительную кинетическую энергию, электроны в области нагрева создают более высокое «давление» электронного газа, поэтому стремятся убежать из нее к более холодному концу контура

Наоборот, контакт Cu-Fe, который охлаждается, вызывает потерю кинетической энергии носителей заряда, это ведет к снижению создаваемого ими давления в зоне контакта. Последний факт приводит к привлечению в холодную область свободных носителей заряда.

Если бы металлы в контакте были одинаковыми, то скорости дрейфа электронов в результате разности температур были бы одинаковыми, а их направления в каждом проводнике — противоположными, то есть никакой разности потенциалов бы не возникло. Но поскольку металлы имеют разную природу, то они различным образом реагируют на нагрев (изменение «давления» электронов и скорость их дрейфа разные для Fe и Cu). В этом и заключается причина появления ЭДС в зоне контакта.

Отметим, что при объяснении физики процесса использовалась аналогия с идеальным газом.

Направление возникающего термотока, а также его величина определяются природой металлов, разницей температур контактов, а также особенностями самой электрической замкнутой цепи.

Если рассмотреть физику процесса для пары металл-полупроводник, то она не будет отличаться от таковой для рассмотренной пары металл-металл. Приложение разности температур к двум контактам металла с полупроводником вызывает в последнем поток электронов (n-тип) или дырок (p-тип) от горячей области к холодной, что приводит к появлению разности потенциалов.

Если не поддерживать разность температур за счет отвода тепла от холодной зоны и его подвода к горячему контакту, то в цепи быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и ток прекращает течь.

Теплопроводность

Теплопроводность графена имеет два вклада: электронный

κe=LσT{\displaystyle \kappa _{e}=L\sigma T},

где L — число Лоренца, и фононный

κp=12cvvsλph{\displaystyle \kappa _{p}={\frac {1}{2}}c_{v}v_{s}\lambda _{ph}},

где c_v — удельная теплоёмкость, v_s — скорость звука, λ_ph — длина свободного пробега фононов. Из-за рекордной теплопроводности в графене главный параметр отвечающий за эффективность преобразования тепла в электричество zT оказывается очень мал (~0.01), поэтому много исследований направлено на попытки уменьшить теплопроводность графена. Например этого можно добиться используя изотоп углерода, созданием различных дефектов.

Измерение

Относительный коэффициент Зеебека

На практике абсолютный коэффициент Зеебека трудно измерить напрямую, поскольку выходное напряжение термоэлектрической цепи, измеряемое вольтметром, зависит только от разницы коэффициентов Зеебека. Это связано с тем, что электроды, прикрепленные к вольтметру, должны быть размещены на материале для измерения термоэлектрического напряжения. Температурный градиент также обычно вызывает термоэлектрическое напряжение на одном плече измерительных электродов. Следовательно, измеренный коэффициент Зеебека является вкладом коэффициента Зеебека исследуемого материала и материала измерительных электродов. Такое расположение двух материалов обычно называют термопарой .

Тогда измеренный коэффициент Зеебека является вкладом обоих и может быть записан как:

SАBзнак равноSB-SАзнак равноΔVBΔТ-ΔVАΔТ{\ Displaystyle S_ {AB} = S_ {B} -S_ {A} = {\ Delta V_ {B} \ over \ Delta T} — {\ Delta V_ {A} \ over \ Delta T}}

Абсолютный коэффициент Зеебека

Абсолютный коэффициент Зеебека свинца при низкой температуре, согласно Кристиану, Яну, Пирсону, Темплтону (1958). Ниже критической температуры свинца (обозначенной пунктирной линией, примерно 7 К) свинец является сверхпроводящим.

Абсолютные коэффициенты Зеебека для различных металлов вплоть до высоких температур, главным образом из Cusack & Kendall (1958). Данные для свинца (Pb) взяты из Christian, Jan, Pearson, Templeton (1958).

Хотя только относительные коэффициенты Зеебека важны для внешних измеряемых напряжений, абсолютный коэффициент Зеебека может быть важен для других эффектов, когда напряжение измеряется косвенно. Следовательно, определение абсолютного коэффициента Зеебека требует более сложных методов и является более сложной задачей, но такие измерения проводились на стандартных материалах. Эти измерения нужно было выполнить только один раз за все время и для всех материалов; для любого другого материала абсолютный коэффициент Зеебека можно получить, выполнив измерение относительного коэффициента Зеебека относительно стандартного материала.

Измерение коэффициента Томсона , который выражает силу эффекта Томсона , можно использовать для получения абсолютного коэффициента Зеебека через соотношение: при условии, что он измеряется до абсолютного нуля . Причина, по которой это работает, заключается в том, что ожидается снижение до нуля при снижении температуры до нуля — следствие теоремы Нернста . Такое измерение, основанное на интегрировании, было опубликовано в 1932 году, хотя оно основывалось на интерполяции коэффициента Томсона в определенных областях температуры.
μ{\ displaystyle \ mu}S(Т)знак равно∫Тμ(Т′)Т′dТ′{\ Displaystyle S (T) = \ int _ {0} ^ {T} {\ mu (T ‘) \ over T’} dT ‘}μ{\ displaystyle \ mu}S(Т){\ Displaystyle S (T)}μТ{\ Displaystyle \ mu / T}

Сверхпроводники имеют нулевой коэффициент Зеебека, как указано ниже. Сделав один из проводов термопары сверхпроводящим, можно получить прямое измерение абсолютного коэффициента Зеебека другого провода, поскольку он один определяет измеренное напряжение всей термопары. В публикации 1958 года этот метод использовался для измерения абсолютного коэффициента Зеебека свинца в диапазоне от 7,2 К до 18 К, тем самым заполнив важный пробел в предыдущем эксперименте 1932 года, упомянутом выше.

Комбинация метода сверхпроводник-термопара до 18 К с методом интегрирования коэффициента Томсона при температуре выше 18 К позволила определить абсолютный коэффициент Зеебека свинца вплоть до комнатной температуры. По сути, эти измерения привели к определению абсолютных коэффициентов Зеебека для всех материалов , даже до более высоких температур, путем сочетания интеграций коэффициента Томсона и схем термопар.

Сложность этих измерений и редкость воспроизведения экспериментов придают некоторую степень неопределенности полученной таким образом абсолютной термоэлектрической шкале. В частности, измерения 1932 г. могли неправильно измерить коэффициент Томсона в диапазоне от 20 до 50 К. Поскольку почти все последующие публикации основывались на этих измерениях, это означало бы, что все обычно используемые значения абсолютного коэффициента Зеебека (включая показанные на рисунках) слишком малы примерно на 0,3 мкВ / К для всех температур выше 50 К.

Сильные и слабые стороны

Есть много факторов, побуждающих к дальнейшим исследованиям в области TEC, включая более низкие выбросы углерода и простоту производства. Однако возник ряд проблем.

Преимущества

Существенным преимуществом систем ТЕС является отсутствие движущихся частей. Отсутствие механического износа и уменьшение количества отказов из-за усталости и разрушения из-за механической вибрации и напряжения увеличивает срок службы системы и снижает требования к техническому обслуживанию. Современные технологии показывают, что среднее время наработки на отказ (MTBF) превышает 100 000 часов при температуре окружающей среды.

Тот факт, что системы ТЕС регулируются по току, дает еще один ряд преимуществ. Поскольку поток тепла прямо пропорционален приложенному постоянному току, тепло можно добавлять или удалять с точным контролем направления и величины электрического тока. В отличие от методов, использующих резистивный нагрев или методы охлаждения с использованием газов, TEC позволяет в равной степени контролировать поток тепла (как внутри, так и из контролируемой системы). Благодаря такому точному двунаправленному регулированию теплового потока, температуры регулируемых систем могут быть точными до долей градуса, часто достигая точности в милликельвинах (мК) в лабораторных условиях. Устройства TEC также имеют более гибкую форму, чем их более традиционные аналоги. Их можно использовать в помещениях с меньшим пространством или в более суровых условиях, чем обычный холодильник. Возможность настройки их геометрии позволяет обеспечить точное охлаждение на очень небольших площадях. Эти факторы делают их обычным выбором в научных и инженерных приложениях с высокими требованиями, когда стоимость и абсолютная энергоэффективность не являются первоочередными задачами.

Еще одним преимуществом TEC является то, что он не использует хладагенты в своей работе. До прекращения их использования некоторые ранние хладагенты, такие как хлорфторуглероды (CFC), вносили значительный вклад в разрушение озонового слоя . Многие используемые сегодня хладагенты также оказывают значительное воздействие на окружающую среду с потенциалом глобального потепления или несут с собой другие риски для безопасности.

Недостатки

Системы ТЕС имеют ряд заметных недостатков. Прежде всего, это их ограниченная энергоэффективность по сравнению с обычными парокомпрессионными системами и ограничения на общий тепловой поток (тепловой поток), который они могут генерировать на единицу площади. Эта тема дополнительно обсуждается в разделе производительности ниже.