Элемент зеебека – Элемент Зеебека для выработки электричества от тепла.

Элемент Зеебека для выработки электричества от тепла.

Простейшее устройство для преобразования тепла от огня в электрическую энергию.

Элемент Зеебека — термогенератор это по сути элемент Пельте. При нагреве одной его стороны и охлаждении другой, возникает электричество. В элементе Пельте возникает такой же эффект, только выработка энергии гораздо ниже. На основе этого модуля можно создать автономные зарядные устройства, которые будут работать везде, где есть огонь или другой источник тепла.

Именно с помощью термогенератора, в годы ВОВ партизаны заряжали свои радиостанции!

Что из себя представляет конструкция для тестирования?

Все очень просто.

Сам элемент Зеебека можно недорого купить например тут.

В Ашане была куплена небольшая алюминиевая кастрюля. Предварительно загнутая в обратную сторону ручка послужила зажимом для кулера, снятого со старого компьютера.

Из листа огнеупорного материала (применяется для изготовления прокладок в двигателях внутреннего сгорания) изготовил две одинаковые прокладки с вырезом под

термоэлемент. Поверх этих прокладок прошли провода от модуля Зеебека. На модуль было нанесено небольшое количество термопасты и он был установлен на свое место.

Далее снова термопаста и охлаждающий кулер.

Вся эта конструкция была помещена на газовую плиту и подверглась нещадным испытаниям.

Обращаю ваше внимание, что данный тест не совсем объективен.

Тестирование проводилось без нагрузки!

Для создания большей разницы температур вместо кулера использовал медную турку с водой и льдом и грел до разрушения

термогенератора.

Для теста, приближенного к реальным условиям элемент Зеебека был подсоединен к повышающему стабилизатору с USB выходом, к нему был подключен смартфон с мощным аккумулятором.

Греть элемент до разрушения я не стал.

Из всего этого можно сделать вывод, что один элемент Зеебека может дать промерно 0,5W. 

Для достижения более приемлемых результатов нужно объединять несколько элементов последовательно или параллельно, в зависимости от конфигурации стабилизатора.

 

 

 

 

solnechniisvet.ru

Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство

Эффект Зеебека (ЭЗ) представляет процесс появления разницы потенциалов вместе соединения двух разных материалов вследствие нагревания указанной области. Данный эффект был получен Зеебеком в 1822 году. Именно тогда он провел опыт нагревания контакта из двух материалов, используя для этого висмут и сурьму. Для фиксирования получаемых изменений был использован гальванометр. Придерживая стык соединенных материалов, он увидел, что магнитная стрелка отклонилась от начального положения. Естественно, что разница была не такой заметной. Однако опыты повторялись вновь и вновь, благодаря чему удалось получить требуемый результат.

Указанный эффект появился вследствие появления электрической движущей силы в замкнутом контуре, выполненном из разных материалов. Чуть позже выяснилось, что различие температур вызывается появлением термоэдс. А уже следствием термоэдс в замкнутом контуре становится электрический ток. Сегодня данный эффект находит применение во многих областях. Но наибольшее его применение в современном мире можно наглядно увидеть в термопарах.

Устройство

Эффект Зеебека заключается в создании термопары, которая состоит из двух разнородных металлов, образующих друг с другом замкнутый контур. Металлы друг от друга отличаются разными коэффициентами Зеебека, вследствие чего возникает напряжение между нагретым проводником термопары и ненагретым проводником. Это напряжение прямо пропорционально разности их температурных значений.

Во многих термоэлектрических устройствах применяется эффект Зеебека. В большинстве случаев в структуру термоэлектрических генераторов включаются термобатареи, которые набираются из полупроводниковых термических элементов. Они могут соединяться параллельно либо последовательно. Также туда входят теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термических батарей.

Типичная схема цепи термоэлектрического генератора состоит из:

• Термоэлемента полупроводникового типа, который выполнен из ветвей контактов p- и n-типа проводимости. Эти контакты имеют различные знаки коэффициента термоэлектродвижущей силы.
• Пластин коммутации, которые имеют нагреваемые и ненагреваемые спаи.
• Активной нагрузки.

При включении термоэлемента на нагрузку в контуре начинает течь постоянный ток, который вызван ЭЗ. Именно этот же ток приводит к поглощению и выделению тепла на спайках. Чтобы обеспечить высокий коэффициент ЭДС, подобные полупроводниковые материалы должны выделяться отличной электрической проводимостью. А для получения существенного перепада температур между нагретыми и ненагретыми спаями, достаточно невысокую теплопроводность.

Под такие параметры наилучшим образом подходят высоколегированные материалы.

Принцип действия

Эффект Зеебека в том, что в замкнутом контуре с жилами из разных материалов, может появиться эдс тогда, когда их контакты имеют отличающиеся показатели температуры. Если говорить по-простому, то параметр возникающей ЭДС во многом зависит от применяемых материалов проводников, в том числе от температур ненагретого и нагретого проводника.

При наличии в проводнике градиента температур по всей длине наблюдается явление, при котором электроны на нагретом конце имеют на порядок большие скорости и энергии, чем в не нагретом. Вследствие этого появляются электроны, которые направляются к холодному концу. Именно на нем скапливается минусовой заряд. На нагретом же конце происходит накапливание плюсового заряда.

Накопление заряда наблюдается до того момента, пока потенциальное отличие не достигнет показателя, при котором электроны не начнут течь обратно, вследствие чего потенциал придет в равновесие.

Эффект Зеебека характеризуется появлением различных свойств:

• Наблюдается появление разности потенциалов между контактами. Объясняется это тем, что на разных проводниках, которые контактируют друг с другом, имеется разная энергия Ферми. В результате при замыкании цепи по­тен­ци­а­лы элек­тро­нов имеют одинаковое состояние, вследствие чего появляется разность потенциалов между контактами. На контактах появляется элек­три­че­ское поле, которое локализуется в тончайшем приграничном слое.

При замыкании цепи появляется напряжение на проводниках. Направление электрического поля идет в обоих контактах от большего к меньшему. Если температура контактов изменить, то напряжение также будет меняться. Но с изменением разности потенциалов будет меняться и электрическое поле в одном из контактов. В результате появится ЭДС в контуре. Если проводники будут иметь равную температуру, то объемная и контактная ЭДС в указанном случае будут равны нулю.

• Наблюдается появление фононового увлечения. При наличии в твердом теле градиента температурного диапазона число фононов, которые направляются в конец ненагретого проводника, будет увеличиваться. Их будет становиться больше, чем тех, что идут в обратном направлении. Вследствие происходящих столкновений с электронами фононы будут утягивать вслед за собой другие. В результате на нагретом проводнике будет происходить накопление отрицательного заряда. Тогда как в нагретом проводнике будут накапливаться положительные заряды до того момента, пока разность потенциалов не сравняется с эффектом увеличения. Раз­ность по­тен­ци­а­лов при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах способна достигать параметров выше в сотни раз.
• Наблюдается появление магнонного увлечения, но только в проводниках, выполненных из магнитных материалов. ЭДС появляется вследствие увле­че­ния элек­тро­нов маг­но­на­ми.

Практическое применение

Такие устройства находят обширное применение в повседневной жизни человека. К примеру, посещая сауну, мало кто задумывается, что температура в ней поддерживается при помощи термопары.

То есть термопара — это термоэлектрический термометр, который выполнен из двух разных металлов. Они соединяются при помощи сварки. При этом один конец размещается непосредственно в сауне, а другие свободные концы выводятся наружу и подключаются к мерительному устройству. Когда печь нагревает помещение сауны, то концы термопары работают в совершенно разных температурных значениях. В результате этого появляется температурный градиент, который ведет к появлению термического тока, то есть термоэлектродвижущей силы.

Мерительное устройство выполняет преобразование термического тока в показания термометра или выступает в качестве датчика температуры. В результате при достижении определенной установленной температуры печь в сауне включается или отключается. Зная, что из себя представляет эффект Зеебека, можно даже управлять температурой в сауне. Если доступ к блоку управления печью в городской бане, к примеру, закрыт на замок, то управлять температурой можно и без него. С этой целью необходимо на конец термической пары намотать смоченную в воде тряпку или платочек. Термопара «остудится», что приведет к повышению температуры в помещении. Но это нужно делать с осторожностью, не привлекая внимания администратора сауны.

Применение

Эффект Зеебека на сегодняшний день применяется в самых разных устройствах. Примером этому могут быть сенсоры напряжения, датчики температуры, датчики давления газа, термоэлектрогенераторы, датчики интенсивности света и тому подобное.

Сегодня устройства, которые работают на ЭЗ, используются в:

• Навигационных системах кораблей и пароходов, бороздящих моря и океаны.
• Промышленных и бытовых генераторах.
• Устройствах энергетического обеспечения космических кораблей.
• Преобразователях солнечной энергии.
• Отопительных устройствах.
• Устройствах, используемых в оборудовании для перекачки и переработки газа, и нефти.
• Преобразователях тепла, которое вырабатывают источники природы. К примеру, это могут быть источники геотермальной воды.
• Космических зондах, которые летят по просторам вселенной.
• Различных термоэлектрических датчиках и так далее.

Будущее

Эффект Зеебека довольно сильно интересует ученых. Сравнительно недавно ученые из Огайо разработали технологию, которая позволяет сделать эффект невероятно эффективным. Основным недостатком современных устройств в том, что данный эффект не позволяет вырабатывать значительное количество энергии даже при использовании сильнолегированных контактов и имеющих высокую разность температур.

Ученые предлагают использовать немагнитный полупроводник, который устанавливается во внешнее магнитное поле с температурой в пределах 2-20 К. В этом случае появляется гигантский спиновый эффект Зеебека. Использование подобных термопар дает возможность существенно увеличить показатели применяемых устройств, расширить их функциональность и применение.

Самый простой пример – это их использование в качестве теплоотводящих устройств в системах кондиционирования и охлаждения. Благодаря отсутствию движущихся частей и дешевизне применяемых элементов оборудование будет работать безотказно десятками лет, а стоимость эксплуатации будет невероятно низкой. Такие термопары даже смогут вырабатывать ток из тепла для подпитки устройства, которое его выделяет. К примеру, их можно использовать для охлаждения персонального компьютера. А спиновой эффект может быть использован для создания электроники нового поколения.

Похожие темы:

electrosam.ru

Эффект Зеебека

Содержание:

1. Термоэлектрические устройства и применение эффекта Зеебека
2. Эффект Зеебека и Пельтье
3. Видео: Термоэлектричество. Эффект Зеебека

В физике и электротехнике существует понятие термоэлектрического эффекта, известного также, как эффект Зеебека. Данное явление представляет собой образование электродвижущей силы внутри электропроводящей замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников. Они изготавливаются из термоэлектрических материалов и соединяются последовательно между собой. Основным условием возникновения эффекта является разница температур, образующихся на спаях. Существует процесс, обратный термоэлектрическому эффекту, называемый эффектом Пельтье.

Термоэлектрические устройства и применение эффекта Зеебека

Термоэлектрическими материалами чаще всего являются сплавы, свойства которых похожи на полупроводниковые. К этой же категории можно отнести и некоторые химические соединения со специфическими параметрами, делающими их пригодными для использования в термоэлектрических устройствах.

Существуют три основных варианта применения эффекта Зеебека в различных конструкциях и устройствах:

• Термоэлектрические генераторы.
• Термоэлектрические холодильники.
• Измерители температур в широком диапазоне: от абсолютного нуля до нескольких тысяч градусов по Кельвину.

Незначительная разница температур между спаями, как показали опыты, приводит к появлению термоэлектродвижущей силы, которая пропорциональна температурной разнице элементов, включенных в цепь. Однородные проводники, работающие по закону Ома, имеются в любой диаде. В свою очередь, в ней возникает термоэлектродвижущая сила, которая определяется свойствами проводников и разницей температур. При этом, распределение температуры между контактами не играет какой-либо решающей роли. Это и есть термоэлектрический эффект Зеебека.

Если цепь состоит всего лишь из двух разных проводников, то данная комбинация будет называться термопарой. Уровень термо-ЭДС в этом случае зависит от материалов проводников и разницы температур между контактами. В большинстве случаев термопара применяется для определения температурных значений. Измерения до 1400 градусов по Кельвину может производится измерителями, в состав которых входят неблагородные элементы. При температуре 1900 градусов и выше потребуются металлы платиновой группы. Для специальных измерителей очень высоких температур применяются особые жаростойкие сплавы.

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется с помощью термоэлектрических генераторов. Основной рабочий процесс этих устройств также связан с эффектом Зеебека. За счет этого может преобразовываться даже сбросовая тепловая энергия, выделяемая двигателями машин. Полученная таким путем электроэнергия используется по своему назначению для питания различных устройств.

Преимуществами таких генераторов является продолжительный срок эксплуатации и возможность их хранения в нерабочем состоянии без каких-либо ограничений. Они отличаются надежностью и устойчивым режимом работы, полностью устраняют риск коротких замыканий. Работа этих устройств абсолютно бесшумна, так как в их конструкции не содержатся подвижные элементы.

Широкого применения эти устройства не получили только по причине низкого коэффициента эффективности, составляющего 3-8%. Однако при отсутствии обычных ЛЭП и низкой предполагаемой нагрузке, использование таких генераторов будет вполне оправданным. В результате, эффект Зеебека применение нашел в области энергообеспечения космической техники, в преобразователях солнечной энергии, отопительных системах и многих других областях, где использование традиционных источников электроэнергии не представляется возможным.

Эффект Зеебека и Пельтье

Суть эффекта Зеебека заключается в образовании электродвижущей силы в электрическом контуре, в состав которого входят проводники А и В, контакты которых обладают разными температурами Т₁ и Т₂. Данные свойства позволяют выполнять прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека, формула которого определяет термо-ЭДС контура: где значения S_A и S_B являются абсолютными термоэлектродвижущими силами проводников А и В. Абсолютная термо-ЭДС относится к одной из характеристик проводника и представляет собой S=du/dT, где u является электродвижущей силой, возникающей в проводнике при наличии в нем разницы температур. Таким образом, теоретические основы эффекта Зеебека тесным образом связаны с температурными перепадами.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

В случае неодинакового типа проводимости, полупроводников присутствующих в термопаре, эффект Пельтье будет выглядеть несколько иначе. При попадании в р-материал, электрон занимает место дырки на энергетическом уровне. В результате, у него теряется кинетическая энергия движения и наступает изменение состояния. Высвобожденная энергия способствует образованию свободных носителей с обеих сторон р-п-перехода, а оставшаяся часть уходит на кристаллическую решетку, которая и вызывает нагрев. Если в начальный момент значение энергии меньше, то спай начнет охлаждаться.

electric-220.ru

Устройство для автономного электроснабжения на основе элементов Пельтье при реализации эффекта Зеебека

В статье приводится решение создания устройства для автономного электроснабжения жилого здания, общей потребностью 2 кВт/сут. Устройство основано на работе целого ряда моделей Пельтье, но особенность данного устройства заключается в реализации эффекта Зеебека.

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь — электрической. Основное требование — увеличить объем ее выработки, но в последнее время все большее внимание привлекает энергия, которая должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики. Не стало исключением и явление, открытое в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck) и названное позже «Эффектом Зеебека». Эффект Зеебека, открытый в начале XIX века, актуален и в настоящее время [1]. Возможности его применения неограничены. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов применения эффекта Пельтье (обратный эффекту Зеебека) и очень малая часть занимается исследованием эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона, практических же приборов и устройств автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека нет.

Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека, который нам показался более интересным в практическом решении и создании автономного устройства электроснабжения.

Поскольку в основе термоэлектрической генерации лежит эффект Зеебека – термоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС (E_тэдс) прямо пропорционально коэффициенту Зеебека α и разнице температур ΔT между горячей T_h и холодной T_c сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рисунок 1).

Рисунок 1. Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа [1]

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Чертеж термоэлектрического генераторного модуля [1]Рисунок 3. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе [1]

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Зеебека может достигать 70 °C.

Надо понимать, что эффективность термоэлектрического модуля Пельтье (для осуществления эффекта Зеебека) зависит от разницы температур, создаваемых на разных участках – чем больше разница температур, тем выше эффективность.

Предлагаемые нами полуметаллы (висмут, сурьма) и особенно полупроводниковые материалы позволяют получить значительно более высокую чувствительность, чем металлы – до 1000 мкВ/К.

Обосновывая принцип работы термоэлектрического генераторного модуля, мы приходим к его схематическому изображению в действительности и установке для работы (рисунок 4).

Рисунок 4. Схематическое изображение

Используя данную схему, мы проектируем две системы для поддержания разницы температур (рисунок 4) – одна на поверхности обеспечивает одну температуру (среднесуточная температура зимой в средней полосе России -20⁰С, летом +20⁰С), другую помещаем ниже точки промерзания (1,6 м), где средняя температура колеблется от 2,6 до 3,6 ⁰С. С помощью проводников данные системы связываются с модулями Зеебека. Единственное, что хочется здесь добавить это то, что потребуется теплоизоляция проводника, выходящего на поверхность (см. рисунок 5).

Рисунок 5 – Схематическое изображение расположения термоэлектрической генераторной установки

В результате всего вышесказанного, нами предлагается следующее проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека (рисунок 6).

Рисунок 6. Проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека

Таким образом, не возникает дополнительных вопросов при освоении земель, удаленных от «цивилизации», если уже 21 век. Не придется протягивать отдельную линию электропередачи для обеспечения жизнедеятельности целого жилого дома.

Данный исследовательский проект нашел практическое применение эффекта Зеебека в создании устройства для автономного электроснабжения на примере жилого здания. Предлагаемое техническое решение устройства автономного электроснабжения на основе эффекта Зеебека позволяет выработать требуемую электрическую энергию без дополнительных затрат, система устройства дешевая, не требует затрат энергии и других видов топлива, проста, доступна, эффективна.

novainfo.ru

Эффект Зеебека. Термоэлектрические генераторы

Эффект Зеебека(другое название – термоэлектрический эффект)— явление образования электродвижущей силы внутри замкнутой электропроводящей цепи, сформированной разнородными проводниками (изготовленными из ТЭМ) с помощью последовательного соединения и разницы в температуре на спаях. Обратный данному эффекту носит название эффекта Пельтье.

К числу термоэлектрических материалов (ТЭМ) относят сплавы, обладающие свойствами полупроводников, а также варианты химических соединений со значимыми термоэлектрическими параметрами, а потому подходящие для применения в конструкции термоэлектрических устройств. Есть три базовых варианта использования ТЭМ, в том числе для конструирования:

• Термоэлектрических генераторов;
• Термоэлектрических холодильников;
• Измерителей температур (в диапазоне от абсолютного нуля до тысяч градусов по Кельвину).

Согласно опытам, в условиях незначительной температурной разницы между спаями термоэлектродвижущая сила в пропорциональном отношении сопоставима с разностью температур элементов, составляющих цепь.

Кроме того, любая диада с однородными проводниками, работающими в соответствии с законом Ома, обладает величиной термоэлектродвижущей силы, определяемой только качествами проводящих материалов и разностью температур, независимо от того, как эти температуры распределены между контактами.

Термопара

Если для формирования цепи использовались всего два различных проводника, то эта комбинация носит название термоэлемента или термопары. То, насколько высоким будет уровень термо-электродвижущей силы, определяется тем из каких материалов сделаны проводники и разница между температурами контактов.

Термопары применяются в основном для определения температур.

Чтобы производить измерение температурных значений вплоть для 1400 градусов по Кельвину, будет вполне достаточно применить неблагородные материалы, для измерителей с диапазоном до 1900 градусов будут нужны металлы, относящиеся к платиновой группе, а специальные особо сильные измерители изготавливаются из специальных жаростойких сплавов.

Наиболее обширно распространились модули типа хромель-алюмень. Они оптимальны для работы в окислительных средах, потому как во время нагревания на их поверхности образуется защитное покрытие из оксилов, что не даёт кислороду проникать внутрь сплава. В восстановительной среде эффект становится строго противоположным.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы применяются для того, чтобы с их непосредственной помощью преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Их работа в большинстве своём также построена на эффекте Зеебека, который может обеспечить даже преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму энергии электрической, которую тут же можно направлять на подпитку разнообразных устройств.

Подобные генераторы выгодно отличаются тем, что:

• Гарантируют длительность срока службы без каких-либо проблемных моментов, а также отсутствие ограничений для хранения в неактивном состоянии;
• Характеризуются устойчивым режимом работы, ликвидирую риск возникновения короткого замыкания;
• Работают совершенно бесшумно, поскольку их конструкция не включает никаких подвижных элементов.

Благодаря своим свойствам эти генераторы активно используются в труднодоступных точках планеты, в местах с повышенными требованиями к устойчивости работы генератора и во многих отношениях являются просто незаменимыми.

Сферы применения эффекта Зеебека

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности – 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

• Энергообеспечение космической техники;
• Питание газо- и нефте- оборудования;
• Бытовые генераторы;
• Системы морской навигации;
• Отопительные системы;
• Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;
• Преобразователи солнечной энергии;
• Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

elektronchic.ru

Эффект Зеебека

К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти явления нашли широкое применение, в частности эффект Зеебека, положенный в основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров.

Явление Зеебека открыто в 1821 г. и заключается в том, что в термопарах, спаи которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс).

Рис. 4

Если вдоль проводника существует градиент температур, 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 и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся не скомпенсированный 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.

В электрической цепи, составленной из разных проводников (М₁ и М₂), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Когда цепь замкнута, в ней течет электрический ток (называемый термотоком), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 5).

Рис. 5

Возникновение термоиндуцированного тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Величина термоэдс зависит от абсолютных значений температур спаев (T_A, T_B), разности этих температур и от природы материалов, составляющих термоэлемент. В небольшом интервале температур термоэдс  можно считать пропорциональной разности температур:

 = α₁₂(T₂ − T₁), (5)

или

d = ₁₂dT;

(6)

Здесь ₁₂ – термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс) металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину  измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами.

Значения коэффициентов термоэдс металлов М₁ и М₂ по отношению к свинцу обозначают соответственно ₁ и ₂ и называют абсолютными коэффициентами термоэдс. Тогда

₁₂ = ₁ – ₂.

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением  к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М₁) — константан (М₂):₁ = +15,0 мкВ/К; ₂ = –38,0 мкВ/К. Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М₂ к М₁). Именно эта ситуация (когда ₂ < ₁) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 4.

Коэффициент термоэдс определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэлемент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом температур. В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака .

Термоэдс обусловлена тремя причинами:

1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;

2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс;

3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую – фононную.

Первая причина. Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоэдс ():

(8)

(9)

где E_F – энергия Ферми;

k – постоянная Больцмана;

е – заряд электрона.

Для свободных электронов ^k должно линейно меняться с температурой.

Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоэдс, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле Е_Т, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 6).

Рис. 6

Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствие пространственной неоднородности температуры

В равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоэдс, которая определяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.

В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный положительно, что приведет к смене знака термоэдс. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не возникает. Именно такой случай имеет место в свинце.

Третий источник термоэдс – эффект увлечения электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов, направленный от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая их за собой. В результате, вблизи холодного конца образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем – положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую термоэдс, вклад которой при низких температурах становится определяющим.

Наиболее общее выражение для коэффициента термоэдс металлов (то есть для сильно вырожденного электронного газа) имеет вид:

(10)

Считая, что зависимость проводимости металлов (s) от энергии (Е) достаточно слабая, для свободных электронов получается формула:

(11)

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей.

В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не зависят от температуры; электронный газ находится в вырожденном состоянии и поэтому уровень Ферми, энергия и скорости электронов также слабо зависят от температуры. Поэтому термоэдс «классических» металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников  может превышать 1000 мкВ/К.

Для сравнения, в таблице приведены значения a некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур 0 °С до 100 °С (положительный знак  приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).

Металл , мкВ/К

Платина -4,4

Олово -0,2

Свинец 0,0

Серебро +2,7

Медь +3,2

Сурьма +4,3

Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.

Эффект Зеебека, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.

С другой стороны, термоэдс находит широкое практическое применение. Эффект Зеебека в металлах используется в термопарах для измерения температур. Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них используются полупроводниковые термоэлементы, обладающие гораздо большими термоэдс.

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара – термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры.

Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М₁ и М₂. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.

studfiles.net

Тестирование термоэлектрического модуля Зеебека

Наряду с альтернативными источниками энергии такими как солнечные батареи и ветрогенераторы, существуют так называемые термогенераторы, действие которых основано на эффекте Зеебека.

Эффект Зеебека ― процесс прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Был от зафиксирован в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck).

 

Элемент Зеебека внешне выглядит как элемент Пельтье.

Путем нагрева одной стороны и охлаждения другой можно получить напряжение до 5,5V и 0,73А.

Для испытания характеристик модуля Зеебека из подручных материалов была собрана чудо-установка.)) Основой послужил небольшой алюминиевый ковшик и радиатор от компьютерного чипа.

Радиатор с кулером для лучшего охлаждения. Можно использовать радиатор большей площади, тогда надобность в принудительной вентиляции отпадет.

Прокладка из двух слоев термостойкого материала для изоляции от нагрева верхней части конструкции и проводов модуля. Из него делают прокладки в двигатели внутреннего сгорания.

Агрегат в сборе!

Собственно, само видео процесса тестирования.

Чтобы увеличить эффективность установки, верхняя часть была снята и ее место заняла кофейная турка в которой залита вода со льдом. Кстати, примерно таким образом в годы Второй Мировой Войны наши партизаны заряжали рации. Понятное дело, место кофейной турки занимала кружка или котелок с водой или снегом.

В настоящее время, широкое распространение получают термогенераторы, которые работают в паре с дровяными печами.

 

Более того, настоящие испытатели всегда пытаются нащупать предел прочности и находят его! Элемент нагревался до его разрушения (максимально гарантированная температура нагрева составляет 150 градусов по Цельсию).

С помощью модуля Зеебека можно собрать зарядные устройства совершенно разнообразной конфигурации и рассчитанные на разные напряжения, модули можно соединять как параллельно, так и последовательно. 

Совершенно не обязательно, чтобы разница температур была очень большой. Выработка идет уже при разнице в 20 градусов. 

В планах, собрать источник энергии, который будет работать от разницы температур в стояках холодного и горячего водоснабжения. Такому источнику будет вполне по силам поддерживать работу одной или двух 12 вольтовых светодиодных ламп.

   

solnechniisvet.ru