|
|
|
ЭФФЕКТЫ ЗЕЕБЕКА И ПЕЛЬТЬЕТомпсон открыл этот эффект приблизительно в 1850 году. Он заключается в поглощении или высвобождении тепла линейно пропорционально току, проходящего через однородный проводник, имеющий градиент температуры вдоль его длины. При этом тепло поглощается, если ток и тепловой поток направлены в противоположных направлениях, и выделяется — когда они имеют одинаковое направление). 3.34А). Он проверил этот эффект на других соединениях металлов при разных температурах и обнаружил, что каждый раз получается различная напряженность магнитного поля. Однако, Зеебек не догадался, что при этом через элементы течет электрический ток, поэтому назвал это явление термомагнетизмом [29]. Если взять проводник, и один его конец поместить в холодное место, а другой — в теплое, от теплого участка к холодному будет передаваться тепловая энергия. Интенсивность теплового потока при этом пропорциональна теплопроводности проводника. В дополнение к этому градиент температур приводит к появлению в проводнике электрического поля, обусловлено эффектом Томсона (В. В 1821 году физик Т. Зеебек (1770–1831), родившийся в Эстонии, а учившийся в Германии, изучая тепловые эффекты в гальванических устройствах, соединил полукруглые элементы, изготовленные из висмута и меди [28]. Неожиданно стрелка компаса, случайно лежавшего рядом, отклонилась (рис. Индуцированное электрическое поле приводит к появлению разности потенциалов.Градиент температуры между произвольно расположенными точками определяет термо э.д.с между ними. Другие значения температур (к примеру, Tv ТА и Т5) не влияют на значение э.д.с. между точками 1 и 2. Для измерения э.д.с. вольтметр подсоединяется к проводнику, как отображено на рис. 3.34 Б. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Для измерения термо э.д.с. надо соответствующим образом подключить щупы вольтметра. Однако щупы вольтметра часто изготовлены из проводников, отличающихся от исследуемого проводника. Из соответствующей таблицы видно, что наилучшая чувствительность получается при соединении двух металлов, имеющих противоположные знаки коэффициентов а при их максимально возможных значениях. В 1826 году А. Беккерель предложил использовать эффект Зеебека для измерения температуры. Однако первая конструкция термопары была разработана Генри Ле-Шателье почти шестьюдесятью годами позже [31]. Ему удалось обнаружить, что соединение проводов из платины и сплава платины и родия позволяет получить наибольшее термонапряжение. Ле-Шателье изучил и описал термоэлектрические свойства многих комбинаций металлов. Полученные им данные до сих пор используются при проведении температурных измерений. В Приложении приведены значения чувствительности некоторых наиболее распространенных типов термопар, соответствующие температуре 25°С, а на рис. 3.36 отображены напряжения Зеебека для стандартных термопар в широком температурном диапазоне. рекомендуется отметить, что термоэлектрическая чувствительность не является постоянной во всем интервале температур, и термопары обычно сравниваются при 0°С. Эффект Зеебека также используется в термоэлементах, которые, по существу, представляют собой несколько последовательно соединенных термопар. В настоящее время термоэлементы часто применяются для детектирования тепловых излучений (раздел 14.6.2 главы 14). Первые термоэлементы, изготовленные из проводов, были разработаны Джеймсом Джоулем (1818–1889) для увеличения выходного напряжения измерительного устройства[32]. 
Рис. 3.36. Зависимость выходного напряжения стандартных
термопар от градиента температур между холодным и горячим спаями
В настоящее время эффект Зеебека применяется в
интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся
на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких сенсоров является
термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает
достаточно крупным коэффициентом Зеебека, на его основе изготавли—
ваются высокочувствительные термоэлектрические детекторы. Рассмотрим простой контур для измерения термо э.д.с. (рис. 3.35 А). В таком
контуре измеритель включается последовательно с проводником. Если контур
выполнен из одинакового материала, то тока в цепи не будет, даже при
неравномерной температуре вдоль его длины. Поскольку в этом случае две половины
контура создадут токи равной величины, но противоположного направления, которые
взаимно уничтожат друг друга. Термо э.д.с. возникает в любом проводнике с
неравномерной температурой, но ее часто невозможно измерить напрямую.
Рис. 3.34. А — опыт Зеебека, Б — переменная температура
вдоль проводника является причиной возникновения термо э.д.с
Рис. 3.35. Термоэлектрический контур: А — соединение
идентичных металлов не приводит к появлению тока при любой разности температур,
Б — соединение разных металлов индуцирует ток А.
Для исследования термоэлектричества необходимо иметь контур,
составленный из jx&yx разных материалов (или из одинаковых материалов, но
находящихся при различных условиях, к примеру, один — в напряженном состоянии, а
другой нет).
Только тогда возможно определить разницу их
термоэлектрических свойств. На рис. 3.35Б отображен контур, состоящий из двух
различных металлов, в котором возникает разность токов. Величина А зависит от
многих факторов, включая форму и размер проводников. Если вместо тока измерять
напряжение на разомкнутом проводнике, разность потенциалов будет определяться
только типом материалов и их температурой и не будет зависеть ни от каких
других факторов. Индуцированная теплом разность потенциалов называется напряжением
Зеебека.
Что происходит, когда два проводника соединяются друг с
другом? Свободные электроны в металле ведут себя как идеальный газ. Кинетическая энергия электронов определяется температурой материала. Однако в
разных металлах энергия и плотность свободных электронов не являются
одинаковыми. Когда два разных материала, находящихся при равной температуре,
соприкасаются друг с другом, свободные электроны за счет диффузии перемещаются
через место соединения [30]. Электрический потенциал материала, принявшего
электроны, становится более отрицательным, а материал, отдавший электроны, — более
положительным. Разные концентрации электронов с двух сторон соединения
формируют электрическое поле, уравновешивающее процесс диффузии, в результате
чего устанавливается нето равновесие. Если контур является замкнутым, и
оба соединения находятся при одинаковой температуре, электрические поля около
них взаимно уничтожаются, чего не происходит, когда места соединений имеют
разную температуру.
Последующие исследования показали [40], что эффект Зеебека
является электрическим по своей природе. Можно утверждать, что
термоэлектрические свойства проводников — это такие же объемные свойства
материалов, как электро — и теплопроводность, а коэффициент аа — уникальная
характеристика материала. При комбинировании двух разных материалов (А и В)
всегда требуется определять напряжение Зеебека. Это можно сделать при помощи
дифференциального коэффициента Зеебека:
Тогда напряжение на соединении равно:
dVAB = аАВ UT. (3.90)
Уравнение (3.90) иногда применяется для определения
дифференциального коэффициента:
к примеру, функцию напряжения от градиента температуры для
термопары Т-типа можно с достаточной степенью точности аппроксимировать при
помощи уравнения второго порядка.
Тогда выражение для дифференциального коэффициента Зеебека
принимает следующий вид:
Из уравнения видно, что коэффициент является линейной
функцией от температуры. Иногда он называется чувствительностью термопарного
соединения. Эталонное соединение, то, как правило, находится при более
холодной температуре, называется холодным спаем, а второе соединение — горячим
спаем. Коэффициент Зеебека не зависит от физической природы соединения: металлы
могут быть скручены, сварены, спаяны и т.д. Имеет значение только температура
спаев и свойства металлов. Эффект Зеебека является прямым преобразованием
тепловой энергии в электрическую.
В Приложении приведены значения термоэлектрических
коэффициентов и объемных удельных сопротивлений для некоторых типов материалов. Эффект Зеебека связан с температурной зависимостью энергии Ферми Ер поэтому
коэффициент Зеебека для кремния «-типа можно аппроксимировать функцией от
электрического удельного сопротивления в интересующем температурном диапазоне
(для сенсоров при комнатной температуре):
где р0=5х10»6 Омхм и т~2.5 являются константами, к — постоянная
Больцмана, a q — электрический заряд. При помощи легирующих добавок получают
материалы с коэффициентами Зеебека порядка 0.3...0.6 мВ/К. В Приложении
приведены значения коэффициентов Зеебека для некоторых металлов и кремния. Из
соответствующей таблицы видно, что коэффициенты Зеебека для металлов гораздо меньше,
чем для кремния, и что влияние алюминиевых выводов на микросхемы незначительное
из-за высокого значения коэффициента Зеебека для кремния.
В начале девятнадцатого века французский часовщик, в
последствии ставший физиком, Жан Шарль Атанас Пельтье (1785–1845) обнаружил,
что при прохождении электрического тока из одного материала в другой, в месте
их соединения происходит либо выделение, либо поглощение тепла [33], что
зависит от направления тока:
рекомендуется отметить, что количество тепла не зависит от температуры
других соединений.
Эффект Пельтье — это выделение или поглощение тепла при
прохождении электрического тока через соединение двух различных металлов. Это
явление характерно и для случаев, когда ток поступает от внешних источников, и
когда он индуцируется в спае термопары из-за эффекта Зеебека.
Эффект Пельтье используется в двух ситуациях: когда надо
либо подвести тепло к месту соединения материалов, либо отвести его, что
осуществляется изменением направления тока. Это свойство нашло свое применение
в устройствах, где требуется осуществлять прецизионный контроль за
температурой. Считается, что эффекты Пельтье и Зеебека имеют одинаковую
природу. Однако рекомендуется хорошо понимать, что тепло
Пелътье и Джоуля отличаются друг от друга. Тепло Пельтье в
отличие от джоулева тепла линейно зависит от силы тока. (Тепло Джоуля
выделяется при прохождении электрического тока любого направления через
проводник, имеющий конечное сопротивление. Высвобождаемая при этом тепловая
энергия пропорциональна квадрату тока: Р= P/R, где R — сопротивление
проводника). Величина и направленность тепловой энергии Пельтье не зависит от
физической природы соединения двух различных материалов, а полностью
определяется их объемными термоэлектрическими свойствами. Эффект Пельтье
используется для построения термоэлектрических охладителей, применяемых для
снижения температуры детекторов фотонов, работающих в дальнем ИК диапазоне
спектра (раздел 14.5 главы 14), а также охлаждаемых зеркальных гигрометров
(раздел 13.6 главы 13).
Необходимо помнить, что в любом месте схемы, где соединяются
два или более различных металла, имеющих разную температуру, всегда возникает
термоэлектрический ток. Эта разность температур всегда сопровождается явлением
теплопроводности Фурье, а при прохождении электрического тока вьщеляется тепло
Джоуля. В то же самое время протекание электрического тока всегда связано с
эффектом Пельтье: выделением или поглощением тепла в местах соединения
различных металлов, при этом разность температур также вызывает появление
эффекта Томпсона: нагрев или охлаждение проводников вдоль их длины. Величина
показывает с какой скоростью происходит выделение или высвобождение тепла на
единицу разности температур и на единицу массы [34, 35].
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
