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).

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 (М 1 и М 2), 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).

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:

 = α 12 (T 2 − T 1), (5)

d =  12 dT ;

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 М 1 и М 2 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 (М 1) - константан (М 2):  1 = +15,0 мкВ/К;  2 = –38,0 мкВ/К. Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М 2 к М 1). 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)

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).

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:

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

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 М 1 и М 2 . В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.

Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи , состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников , контакты между которыми находятся при различных температурах .

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой .

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( T 1 {\displaystyle T_{1}} ) и холодного ( T 2 {\displaystyle T_{2}} ) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС E {\displaystyle E} можно считать пропорциональной разности температур:

E = α 12 (T 2 − T 1) , {\displaystyle E=\alpha _{12}(T_{2}-T_{1}),} где - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры α 12 {\displaystyle \alpha _{12}} меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

E = ∫ T 1 T 2 α 12 (T) d T . {\displaystyle {\mathcal {E}}=\int \limits _{T_{1}}^{T_{2}}\alpha _{12}(T)dT.}

Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 °С и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий - 0,643 мВ, нихром-никель - 4,1 мВ) .

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

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 = F 2 − F 1 e {\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

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.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

История

Описание

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего ( $T_1$ ) и холодного ( $T_2$ ) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС $E$ можно считать пропорциональной разности температур:

$E = \alpha_{12}(T_2 - T_1),$ где $\alpha_{12}$ - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

$\mathcal E = \int\limits_{T_1}^{T_2} \alpha_{12}(T)dT.$

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

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 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 .

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

$U = \frac{F_2-F_1}{e}$ , где $F$ - энергия Ферми, $e$ - заряд электрона .

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 .

Фононное увлечение

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

Магнонное увлечение

Использование

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Напишите отзыв о статье "Эффект Зеебека"

Ссылки

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Эффект Зеебека

Первый раз он испытал это чувство тогда, когда граната волчком вертелась перед ним и он смотрел на жнивье, на кусты, на небо и знал, что перед ним была смерть. Когда он очнулся после раны и в душе его, мгновенно, как бы освобожденный от удерживавшего его гнета жизни, распустился этот цветок любви, вечной, свободной, не зависящей от этой жизни, он уже не боялся смерти и не думал о ней.
Чем больше он, в те часы страдальческого уединения и полубреда, которые он провел после своей раны, вдумывался в новое, открытое ему начало вечной любви, тем более он, сам не чувствуя того, отрекался от земной жизни. Всё, всех любить, всегда жертвовать собой для любви, значило никого не любить, значило не жить этою земною жизнию. И чем больше он проникался этим началом любви, тем больше он отрекался от жизни и тем совершеннее уничтожал ту страшную преграду, которая без любви стоит между жизнью и смертью. Когда он, это первое время, вспоминал о том, что ему надо было умереть, он говорил себе: ну что ж, тем лучше.
Но после той ночи в Мытищах, когда в полубреду перед ним явилась та, которую он желал, и когда он, прижав к своим губам ее руку, заплакал тихими, радостными слезами, любовь к одной женщине незаметно закралась в его сердце и опять привязала его к жизни. И радостные и тревожные мысли стали приходить ему. Вспоминая ту минуту на перевязочном пункте, когда он увидал Курагина, он теперь не мог возвратиться к тому чувству: его мучил вопрос о том, жив ли он? И он не смел спросить этого.

Болезнь его шла своим физическим порядком, но то, что Наташа называла: это сделалось с ним, случилось с ним два дня перед приездом княжны Марьи. Это была та последняя нравственная борьба между жизнью и смертью, в которой смерть одержала победу. Это было неожиданное сознание того, что он еще дорожил жизнью, представлявшейся ему в любви к Наташе, и последний, покоренный припадок ужаса перед неведомым.
Это было вечером. Он был, как обыкновенно после обеда, в легком лихорадочном состоянии, и мысли его были чрезвычайно ясны. Соня сидела у стола. Он задремал. Вдруг ощущение счастья охватило его.
«А, это она вошла!» – подумал он.
Действительно, на месте Сони сидела только что неслышными шагами вошедшая Наташа.
С тех пор как она стала ходить за ним, он всегда испытывал это физическое ощущение ее близости. Она сидела на кресле, боком к нему, заслоняя собой от него свет свечи, и вязала чулок. (Она выучилась вязать чулки с тех пор, как раз князь Андрей сказал ей, что никто так не умеет ходить за больными, как старые няни, которые вяжут чулки, и что в вязании чулка есть что то успокоительное.) Тонкие пальцы ее быстро перебирали изредка сталкивающиеся спицы, и задумчивый профиль ее опущенного лица был ясно виден ему. Она сделала движенье – клубок скатился с ее колен. Она вздрогнула, оглянулась на него и, заслоняя свечу рукой, осторожным, гибким и точным движением изогнулась, подняла клубок и села в прежнее положение.
Он смотрел на нее, не шевелясь, и видел, что ей нужно было после своего движения вздохнуть во всю грудь, но она не решалась этого сделать и осторожно переводила дыханье.
В Троицкой лавре они говорили о прошедшем, и он сказал ей, что, ежели бы он был жив, он бы благодарил вечно бога за свою рану, которая свела его опять с нею; но с тех пор они никогда не говорили о будущем.
«Могло или не могло это быть? – думал он теперь, глядя на нее и прислушиваясь к легкому стальному звуку спиц. – Неужели только затем так странно свела меня с нею судьба, чтобы мне умереть?.. Неужели мне открылась истина жизни только для того, чтобы я жил во лжи? Я люблю ее больше всего в мире. Но что же делать мне, ежели я люблю ее?» – сказал он, и он вдруг невольно застонал, по привычке, которую он приобрел во время своих страданий.
Услыхав этот звук, Наташа положила чулок, перегнулась ближе к нему и вдруг, заметив его светящиеся глаза, подошла к нему легким шагом и нагнулась.
– Вы не спите?
– Нет, я давно смотрю на вас; я почувствовал, когда вы вошли. Никто, как вы, но дает мне той мягкой тишины… того света. Мне так и хочется плакать от радости.
Наташа ближе придвинулась к нему. Лицо ее сияло восторженною радостью.
– Наташа, я слишком люблю вас. Больше всего на свете.
– А я? – Она отвернулась на мгновение. – Отчего же слишком? – сказала она.
– Отчего слишком?.. Ну, как вы думаете, как вы чувствуете по душе, по всей душе, буду я жив? Как вам кажется?
– Я уверена, я уверена! – почти вскрикнула Наташа, страстным движением взяв его за обе руки.
Он помолчал.
– Как бы хорошо! – И, взяв ее руку, он поцеловал ее.
Наташа была счастлива и взволнована; и тотчас же она вспомнила, что этого нельзя, что ему нужно спокойствие.
– Однако вы не спали, – сказала она, подавляя свою радость. – Постарайтесь заснуть… пожалуйста.
Он выпустил, пожав ее, ее руку, она перешла к свече и опять села в прежнее положение. Два раза она оглянулась на него, глаза его светились ей навстречу. Она задала себе урок на чулке и сказала себе, что до тех пор она не оглянется, пока не кончит его.
Действительно, скоро после этого он закрыл глаза и заснул. Он спал недолго и вдруг в холодном поту тревожно проснулся.
Засыпая, он думал все о том же, о чем он думал все ото время, – о жизни и смерти. И больше о смерти. Он чувствовал себя ближе к ней.
«Любовь? Что такое любовь? – думал он. – Любовь мешает смерти. Любовь есть жизнь. Все, все, что я понимаю, я понимаю только потому, что люблю. Все есть, все существует только потому, что я люблю. Все связано одною ею. Любовь есть бог, и умереть – значит мне, частице любви, вернуться к общему и вечному источнику». Мысли эти показались ему утешительны. Но это были только мысли. Чего то недоставало в них, что то было односторонне личное, умственное – не было очевидности. И было то же беспокойство и неясность. Он заснул.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

Факультет фундаментальной и прикладной информатики

Кафедра ЗИ и СС

полное название кафедры

Направление подготовки (специальность)

Средства связи с подвижными объектами, 210402

шифр и название направления (подготовки),специальности

о преддипломной практике

вид практики

на кафедре ЗИ и СС

название предприятия, организации, учреждения

студента (слушателя) 5 курса, группы ТК – 91

курса, группы

Калабина Дмитрия Аналольевича

фамилия, имя, отчество

Руководитель практики от М.П.

предприятия, организации,

учреждения

д.т.н. Мухин Иван Ефимович

должность, фамилия, и. о.

подпись, дата Оценка

Руководитель практики от

университета

Севрюков Александр Евгеньевич

должность, фамилия, и. о.

подпись, дата Оценка

Введение..................................................................................................................3

1 Термоэлектрические источники альтернативного электропитания................4

1.1 История открытия эффекта Зеебека............................................................4

1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение........ ...............................8

1.3 Обзор современных применений термоэлектрического преобразования...................... ............................................................................11

1.4 Термоэлектрические генераторные сборки и устройства..........................................................................................................14

1.5 Термоэлектричество в быту.......................................................................16

1.6 Измерение тепловых потоков (тепломеры)..............................................18

1.6.1 Применение ТГМ для питания маломощных устройств при малых тепловых потоках (Energy Harvesting)............................................................18

1.7 Основные формулы и соотношения для определения параметров ТЭГ. .............................................................................................................................21

1.7.1 Основные параметры ТГМ................................................................23

1.7.2 Варианты исполнения ТГМ..............................................................26

1.8 Результаты испытаний на малых перепадах температур.........................................................................................................29

1.8.2Установка генераторных модулей.....................................................33

Введение

С увеличение сложности летательных аппаратов возникает необходимость объективного контроля в реальном масштабе времени до не скольких тысяч параметров в зависимости от сложности летательного аппарата. В связи с этим была разработана 101 поправка ИКАО от 14 ноября 2013года, которая определяет систему управления безопасности полетов в РФ для летательных аппаратов. Один из основных аспектов данного документа – это мониторинг технического состояния основных узлов и агрегатов летательных аппаратов.

Большое количество датчиков вызывает противоречие между ограничениями на массо-габаритные показатели и энергопотребление датчиков контроля состояния и между их техническими возможностями (чем больше датчиков, тем больше масса питающих и сигнальных проводов и потребляемая мощность от бортового генератора). Разрешением этого противоречия является применение принципиально нового подхода для организации питания датчиков и передачи информации на интегрированный пункт сбора информации датчиков. Для этого могут применяться в качестве источников питания элементы Зеебека, а для передачи информации на центральный пункт сбора – беспроводные системы связи.

Физической основой получения электрической мощности от элементов Зеебека является перепад температур между температурой внутри борта летательного аппарата и на его поверхности.

1 Термоэлектрические источники альтернативного электропитания

1.1 История открытия эффекта Зеебека

Днем рождения термоэлектричества можно считать 14 декабря 1820 г. В этот день на заседании Берлинской академии наук академик Томас Иоганн Зеебек впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которых нагревался (рисунок 1). Томас Зеебек называл этот эффект «термомагнетизмом». Позже, в 1822 г., в докладах Прусской академии наук был опубликован научный труд Томаса Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Рисунок 1 – Иллюстрация к опыту, демонстрирующему эффект Зеебека

В своих опытах Томас Зеебек использовал контакт двух различных материалов (конструктивно выполненных в виде проволоки, пластин и/или стержней) из различных металлов, в частности из меди, висмута и сурьмы.

Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека» (рисунок 1), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых (обозначенные на рисунке 1 m-p и n- o) находились при разных температурах, магнитная стрелка (а), помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала. В результате Зеебек наблюдал возникновение магнитного поля, которое фиксировалось по отклонению магнитной стрелки. Угол и направление поворота магнитной стрелки зависели от значения разности температур на спаях цепи и сочетания материалов, из которых была составлена цепь.

Эффективность термоэлектрического преобразования теплового потока в электрическую энергию для наилучшего сочетания значений термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) рядов пар материалов, составленных самим первооткрывателем этого эффекта Томасом Зеебеком, могла достичь 2–3%, что значительно превосходило КПД паровых машин того времени. Неизвестно, каким путем пошло бы развитие энергетики, будь больше внимания уделено термоэлектричеству в те годы.

Сегодня термоэлектричество наверстывает незаслуженное вековое забвение в энергетике. Это ускоренное движение началось совсем недавно - в 30‑е годы прошлого века благодаря работам А. Ф. Иоффе. Именно в эти годы была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики. Одним из первых выдающихся практических применений термоэлектрических полупроводниковых генераторов стал легендарный в тяжелые годы Великой Отечественной войны «Партизанский котелок» (ТГ-1, 1942 г.). Это устройство позволяло обеспечивать электрической энергией мощностью 2–4 Вт питание радиостанций партизанских отрядов и заменило труднодоступные и обладавшие в те времена малой емкостью гальванические батареи. Для получения электрической энергии было достаточно разности температур 250…300 °С над огнем костра при стабилизации температуры холодных спаев кипящей водой. Мировым термоэлектрическим сообществом общепризнан приоритет практического применения эффекта прямого преобразования тепловой энергии в электрическую за Советской Россией.

Для упрощения понимания используемых в последующих разделах обозначений и сокращений в таблице 1 приводится их единый перечень.

Таблица 1 – Список принятых обозначений и сокращений

Принятые обозначения	Расшифровка	Единица измерения
	Коэффициент Зеебека (коэффициент термоЭДС)
	Число пар термоэлектрических элементов в модуле
	Высота термоэлектрического элемента
	Сторона поперечного сечения элемента
T h	Температура горячего (hot) спая модуля
T с	Температура холодного (cold) спая модуля
	Разность температур
R н	Электрическое сопротивление нагрузки
Q h	Энергия теплового потока, подаваемого на модуль (hot)
R h	Тепловое сопротивлеение между нагреваемой стороной ТГМ и источником теплоты с заданной температурой
Q c	Энергия теплового потока, отводимого с модуля (cold)
R c	Тепловое сопротивление между охлаждаемой стороной и окружающей средой
	Напряжение на выходе модуля при Rн = R
	Электрический ток через нагрузку при Rн = R
	Электрическая мощность в нагрузке при Rн = R
	Коэффициент полезного действия (эффективность) модуля
	Отношение сопротивлений нагрузки и модуля
	Внутреннее электрическое сопротивление модуля при рабочих температурах
R (22 °С)	Внутреннее электрическое сопротивление модуля в нормальных условиях
R t (22 °С)	Тепловое сопротивление модуля, измеренное при указанной температуре
	Термоэлектрический генераторный модуль
	Термоэлектрический генератор
	Термоэлектрический элемент

1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение

Как уже было отмечено, 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 2).

Рисунок 2 – Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа

Представленная конструкция термопары состоит из разнородных полупроводниковых термоэлементов n- и p- типа, соединенных между собой на одной стороне, другие два свободных конца подключаются к нагрузке R н . Если температура места контакта отлична от температуры свободных концов, то по такой цепи пойдет ток, а на нагрузке будет выделяться полезная мощность. Величину термоЭДС можно определить по формуле:

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 – Чертеж термоэлектрического генераторного модуля

Рисунок 4 – Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе

Конструктивное исполнение стандартного генераторного модуля мало чем отличается от холодильных термоэлектрических модулей. Между двух керамических пластин смонтированы электрически последовательно, а по тепловому потоку - параллельно термоэлектрические элементы n- и p- типа. Модуль имеет ширину А, длину В и высоту Н (рисунок 3). Как правило, модуль поставляется с напаянными проводами.

1.3 Обзор современных применений термоэлектрического преобразования

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 на передний план выходят дополнительные условия: энергия должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики, в которой особенно остро нуждаются Европа и США. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В таком преобразовании отсутствует промежуточное звено, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую.

За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.

Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях - это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.) Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации.

ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии выделяется на промышленных объектах и оборудовании при температуре поверхностей до 300 °С (рисунок 5).

Рисунок 5 – Распределение температур поверхностей промышленных агрегатов

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно. Совсем недавно практическое применение получили устройства, утилизирующие энергию тепловых потоков при перепаде температур менее 10 К.

До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остается относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теплового потока в электрическую энергию - от 3 до 8%. Однако в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести обычные линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым. Сферы таких применений крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, а также питания оборудования газои нефтепроводов, морских навигационных систем и до бытовых генераторных устройств, например, в составе дровяной топочноварочной печи, печи для сауны, камина и отопительного котла. Приведем еще несколько примеров практического применения ТЭГ:

а) использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;

б) автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;

в) источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;

г) преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;

д) обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи;

е) измерение тепловых потоков (тепломеры);

ж) обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);

и) получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.

1.4 Термоэлектрические генераторные сборки и устройства

Автономные источники электрической энергии на основе термоэлектрических генераторных модулей нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Мощность, вырабатываемая такими генераторами, составляет от единиц милливатт до единиц киловатт и определяется в конечном итоге экономической целесообразностью выбора этого способа преобразования энергии. Источником тепловой энергии может быть любая энергия, получаемая при сжигании природного газа, дров, угля, пеллет и др.

Термоэлектрическая генераторная сборка в минимальной (упрощенной) конфигурации состоит из металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающую среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур (рисунок 8). Вся конструкция скрепляется вместе тем или иным способом, чаще всего с помощью резьбовых соединений. В одну сборку могут быть установлены несколько модулей. Энергия от нескольких сборок может складываться при соответствующем подключении. Благодаря своей простоте конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет при правильной эксплуатации).

В настоящее время наиболее широкое применение нашли два типа термоэлектрических генераторов: ТЭГ, работающий от природного газа и предназначенный для промышленного применения в газо- и нефтедобывающих отраслях, и ТЭГ, работающий от горения дров и иных широкодоступных видов топлива и предназначенный для решения задач обеспечения энергией садоводов, охотников, строителей и подразделений МЧС при отсутствии штатного электричества.

В ТЭГ для газо- и нефтедобывающей промышленности применяют тепло от сжигания природного газа для его преобразования в электрическую энергию. Такие промышленные генераторы предназначены для питания аппаратуры дистанционного телеуправления, телеметрии, автоматики и систем беспроводной передачи данных. В настоящее время линейка выпускаемых компанией «Криотерм» генераторов обеспечивает возможность получения электрической мощности от 6 до 80 Вт с одного генератора.

1.5 Термоэлектричество в быту

Идея использования термоэлектрической генерации электрической энергии интересует многих инженеров. Первым применением ТЭГ в быту можно по праву считать генератор, разработанный и освоенный в серийном производстве в конце 1940‑х годов. Он был предназначен для питания лампового приемника «Родина» (вырабатываемая мощность - порядка 2 Вт) и работал от тепла керосиновой лампы. Сейчас компания «Криотерм» выпускает в промышленных масштабах широкий спектр термоэлектрических генераторных модулей, позволяющих получать электрическую мощность, достаточную для питания маломощных нагрузок в течение протапливания печи, камина или даже мангала. В таблице 2 приведен ряд современных бытовых применений ТЭГ.

Таблица 2 – Применение термоэлектричества в быту

Бытовой прибор	Дополнительные возможности
Печи для отапливания помещения	Освещение помещения безопасным напряжением 12 В; зарядка аккумуляторов бытовых приборов; обеспечение ускоренной циркуляции воздуха за счет применения вентиляторов; питание ЖК-телевизора и другой радиоаппаратуры; зарядка аккумулятора для использования энергии после окончания протопки
	Независимое питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха по дому; питание автономной подсветки
Печи для саун	Питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха; питание освещения и маломощных приборов безопасным напряжением 12 В; зарядка аккумулятора для питания устройств после протопки
Мангалы, жаровни, барбекю	Питание подсветки; питание системы регулирования температуры жарки; питание моторчика вращения шампура
Душевые кабины	Питание автономной подсветки; питание встроенного радиоприемника
Отопительные котлы	Питание циркуляционного насоса; питание маломощных бытовых устройств
Солнечные концентраторы тепловой энергии	Получение электрической энергии для питания систем телеметрии, автоматики, циркуляции теплоносителя и др.

Одним из наиболее ярких примеров применения термоэлектрических генераторов в бытовой технике являются нашедшие в настоящее время широкое распространение термоэлектрические генераторы ТЭГ В25-12 компании «Криотерм», вырабатывающие 25 Вт электрической мощности при обеспечении температуры на нагреваемой поверхности от 300 до 400 °C. Генератор надежен и неприхотлив в эксплуатации. Два генератора, установленные на небольшую отопительную дровяную печь, обеспечивают зарядку встроенного аккумулятора при совместной работе со встроенным контроллером заряда и выдают суммарно 50 Вт электрической энергии в период горения дров.

1.6 Измерение тепловых потоков (тепломеры)

Термоэлектрические модули широко используются в качестве измерителей плотности теплового потока, для измерения и контроля тепловых режимов двигателей, различных приборов и механизмов, для определения тепловых потерь, коэффициента теплопроводности, для получения информации о характере тепловыделений биологических объектов, для дозиметрии, контроля и автоматизации технологических процессов. Принцип действия термоэлектрического модуля в качестве тепломера основан на широко известном методе вспомогательной стенки: на пути регистрируемого теплового потока располагается «стенка» - образец с известным значением коэффициента теплопроводности. В термоэлектрическом модуле роль стенки исполняют ветви полупроводникового вещества. При этом уникальное преимущество термоэлектрического модуля заключается в том, что не требуется никаких дополнительных средств для измерения перепада температур: он определяется непосредственно по напряжению, генерируемому термоэлектрическим модулем. Режим работы ТЭМ в качестве тепломера - это частный случай режима генерации (при бесконечном сопротивлении нагрузки).

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 . Неожиданно стрелка компаса, случайно лежавшего рядом, отклонилась (рис. 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 .

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. Томпсон 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). Индуцированное электрическое поле приводит к появлению разности потенциалов:

где dT - градиент температуры на небольшом участке длины dx, α а - абсолютный коэффициент Зеебека материала . Если материал однородный, а а не зависит от его длины, и уравнение (3.87) принимает вид:

Уравнение (3.88) является основным математическим выражением для термоэлектрического эффекта. На рис. 3.34Б показан проводник с неравномерным распре-

3.9 Эффекты Зеебека и Пельтье

делением температуры Г вдоль его длины х. Градиент температуры между произвольно расположенными точками определяет термо э.д.с между ними. Другие значения температур (например, T 3 T 4 и Т 5) не влияют на значение э.д.с. между точками 1 и 2. Для измерения э.д.с. вольтметр подсоединяется к проводнику, как показано 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. 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.

соединение

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, например, один - в напряженном состоянии, а другой нет).

Только тогда возможно определить разницу их термоэлектрических свойств. На рис. 3.35Б показан контур, состоящий из двух различных металлов, в котором возникает разность токов: . Величина Δi 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 Зе-ебека.

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 . 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 некоторое 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 , 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 α а - 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:

dV AB = α AB UT. (3.90)

Уравнение (3.90) иногда применяется для определения дифференциального коэффициента:

Например, 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:

3 9 Эффекты Зеебека и Пельтье I I 3

Из уравнения видно, что коэффициент является линейной функцией от температуры. Иногда он называется чувствительностью термопарного соединения. Эталонное соединение, которое, 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. 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 измере
ния температуры. Однако первая конструкция термопары была разработана Генри
Ле-Шателье почти шестьюдесятью годами позже . 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 исполь
зуются при проведении температурных измерений. В Приложении приведены зна
чения чувствительности некоторых наи-
более распространенных типов термо
пар, соответствующие температуре 25°С,
а на рис. 3.36 показаны напряжения Зе
ебека для стандартных термопар в ши
роком температурном диапазоне. Следу
ет отметить, что термоэлектрическая
чувствительность не является постоян
ной во всем интервале температур, и тер
мопары обычно сравниваются при 0°С.
Эффект Зеебека также используется в
термоэлементах, которые, по существу,
представляют собой несколько последо
вательно соединенных термопар. В на
стоящее время термоэлементы часто
применяются для детектирования тепло
вых излучений (раздел 14.6.2 главы 14).
Первые термоэлементы, изготовленные из проводов, были разработаны Джейм
сом Джоулем (1818-1889) для увеличениявыходного напряжения измерительного
устройства.

В настоящее время эффект Зеебе ка применяется в интегрированных датчиках, в которых соответствующие пары материалов наносятся на поверхность полупроводниковых подложек. Примером таких датчиков является термоэлемент для обнаружения тепловых излучений. Поскольку кремний обладает достаточно большим коэффициентом Зеебека, на его основе изготавли-

ваются высокочувствительные термоэлектрические детекторы. Эффект Зеебека связан с температурной зависимостью энергии Ферми Е р поэтому коэффициент Зеебека для кремния n-типа можно аппроксимировать функцией от электрического удельного сопротивления в интересующем температурном диапазоне (для датчиков при комнатной температуре):

где р 0 ≈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 , что зависит от направления тока:

где i - сила тока, a t - время. Коэффициент р имеет размерность напряжения и определяется термоэлектрическими свойствами материала. Следует 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 следует 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 = i 2 /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. Эти два тепловых эффекта (Томпсона и Пельтье) выражаются в виде четырех составляющих в выражении для э.д.с. Зеебека:

где σ+- - величина, называемая коэффициентом Томпсона, которую сам Томсон называл удельной теплоемкостью электричества, проводя аналогию между а и обычной удельной теплоемкостью с, принятой в термодинамике. Величина о показывает с какой скоростью происходит выделение или высвобождение тепла на единицу разности температур и на единицу массы .

Звуковые волны

Звуковыми волнами называются периодические сжатия и расширения среды (твердых тел, жидкостей и газов), происходящие с определенной частотой. Компоненты среды совершают колебательные движения в направлении распространения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими волнами. Название звуковые связано с диапазоном восприятия человеческого слуха, который приблизительно составляет интервал 20...20000 Гц. Продольные механические волны ниже 20 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20 кГц - ультразвуковыми. Если бы классификация волн велась бы относительно других животных, например, собак, диапазон звуковых волн был бы значительно шире.

Детектирование инфразвуковых волн применяется при исследовании строительных конструкций, предсказании землетрясений и изучении других объектов, обладающих большими геометрическими размерами. Люди ощущают инфразву-ковые волны большой амплитуды, даже если их не слышат, при этом у них появ-

Глава 3. Физические приципы датчиков

ляются такие психологические явления, как паника, страх и т.д. Примерами волн звукового диапазона являются колебания струн (струнные музыкальные инструменты), вибрации столба воздуха (духовые музыкальные инструменты), звучание пластин (некоторые ударные инструменты, голосовые связки, громкоговоритель). Какова бы ни была природа возникновения звуков, всегда происходит попеременное сжатие и разрежение воздуха, при этом волны распространяются во все стороны. Спектр звуковых волн может быть весьма различным: от простых однотонных звуков метронома и трубы органа до богатых мелодий скрипки. Шум, как правило, обладает очень широким спектром. Он может иметь равномерное распределение плотности или присутствовать только на частотах определенных гармоник.

На стадии сжатия среды ее объем изменяется от V до V-ΔV. Отношение изменения давления Δр к относительному изменению объема называется объемным модулем упругости среды:

где р 0 - плотность вне зоны сжатия, a v - скорость звука в среде. Отсюда скорость звука определяется следующим образом:

Следовательно, скорость звука зависит от упругости (В) и инерционных свойств среды (р 0). Поскольку обе переменные являются функциями от температуры, скорость звука также зависит от температуры. Это свойство положено в основу акустических термометров (раздел 16.5 главы 16). Для твердых тел продольная скорость может быть определена через модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона W:

В Приложении приведены скорости распространения продольных волн в некоторых средах. Следует отметить, что скорость звука зависит от температуры, что всегда должно учитываться при разработке конкретных датчиков.

Рассмотрим распространение звуковой волны в трубе органа, где каждый маленький объемный элемент воздуха совершает колебательные движения вокруг состояния равновесия. Для чистой гармоники смещение элементарного объема относительно состояния равновесия можно описать следующим выражением:

где х - положение равновесия, у - смещение от положения равновесия, у т - амплитуда, а λ - длина волны. На практике бывает более удобно рассматривать изменение давления в звуковой волне:

3 10 Звуковые волны

где к=2π/λ - порядок волны, ω - угловая частота, а члены в первой круглой скобке соответствуют амплитуде р т звукового давления Следует отметить, что sin и cos в уравнениях (3 100) и (3 101) указывают на то, что фазы волн смещения и давления различаются на 90°

Давление в любой заданной точке среды не является постоянным Разность между мгновенным и средним значениями давления называется акустическим давлением Р Во время распространения волны вибрирующие частицы воздуха совершают колебательные движения вокруг положения равновесия с мгновенной скоростью ξ, Отношение акустического давления и мгновенной скорости (не путать со скоростью волны 1) называется акустическим импедансом

который является комплексной величиной, характеризующейся амплитудой и фазой Для идеальной среды (в которой нет потерь), Z - действительное число, связанное со скоростью волны соотношением

Интенсивность / звуковой волны определяется как мощность, переданная через единичную площадь Также ее можно выразить через величину акустического импеданса

Однако на практике звук чаще характеризуется не интенсивностью, а параметром β, называемым уровнем звука, определенным относительно стандартной интенсивности I 0 = 10 12 Вт/м 2

Такая величина I 0 выбрана потому, что она соответствует нижней фанице слуха человеческого уха Единицей измерения р является децибел (дБ), названный в честь Александра Белла При I=I 0 , β=0

Уровни давления также могут быть выражены через децибелы

Где P 0 =2х10 5 Н/м 2 (0 0002 мкбар)=2 9x10 9 psi

В таблице 3 3 приведены уровни некоторых звуков Поскольку человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки разных частот, уровни звука обычно приводятся для интенсивности I 0 соответствующей частоте 1 кГц, где чувствительность слуха максимальна

Таблица 3.3. Уровни звуков β при I 0 ,соответствующей 1000 Гц

Источник звука	дБ
Ракетный двигатель на расстоянии 50 м
Переход звукового барьера
Гидравлический пресс на расстоянии 1 м
Болевой порог
1О-Вт Hi-Fi громкоговоритель на расстоянии 3 м	ПО
Мотоцикл без глушителя
Рок-н-рол
Поезд метрополитена на расстоянии 5 м
Пневматическая дрель на расстоянии 3 м
Ниагарский водопад
Загруженная автодорога
Автомобиль на расстоянии 5 м
Посудомоечная машина
Разговор на расстоянии 1 м
Расчетное бюро
Городская улица (без транспорта)
Шепот на расстоянии 1 м
Шелест листьев
Слуховой порог

Эффекты зеебека и пельтье. Эффект Зеебека

Энциклопедичный YouTube

Объяснение эффекта

Объёмная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов

Фононное увлечение

История

Описание

Объяснение эффекта

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Фононное увлечение

Магнонное увлечение

Использование

Напишите отзыв о статье "Эффект Зеебека"

Ссылки

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Эффект Зеебека

1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение

Консультация для родителей "«Влияние народных промыслов на эстетическое воспитание детей дошкольного возраста»

Амортизационная премия в налоговом учете: как сэкономить быстро

Появление человека разумного

Требования к контрактному управляющему 44 фз контрактный управляющий кто может

Уточненная декларация по НДС

Эффекты зеебека и пельтье. Эффект Зеебека

Энциклопедичный YouTube

Объяснение эффекта

Объёмная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов

Фононное увлечение

История

Описание

Объяснение эффекта

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Фононное увлечение

Магнонное увлечение

Использование

Напишите отзыв о статье "Эффект Зеебека"

Ссылки

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Эффект Зеебека

1.2 Эффект Зеебека и его практическое применение

Похожие статьи