Efecto Seebeck

Seebeck efecto - es la formación de una diferencia de potencial en la interfase límite de dos materiales diferentes mediante el calentamiento de la técnica.

de la historia

Historia no dice nada, que quería obtener la Seebeck en 1822, cuando se calienta contacto de antimonio y bismuto. Tal vez el efecto fue el resultado de coincidencias al azar, como sucede a menudo, y como sucedió en Oersted de la flecha de la brújula. El galvanómetro Seebeck registró cuando una mano sostenía la unión del termopar. Se considera una feliz coincidencia, está obligado a poseer un diseño del compás éxito. El dispositivo consistía en dos mitades: una estructura de metal, el borde de otra tapa de vidrio. Descansando su mano en la propiedad, Seebeck dicha desviación de la aguja magnética de su posición inicial. Sin duda, la diferencia no fue tan notable, pero el científico pacientemente repetir la experiencia de ver el resultado.

La figura muestra que la lámpara de indicación de causa de desviación significativa del meridiano magnético. Esto se debe a que fluye la corriente de campo. Grapa, se adhieren flecha arriba, lleva cargas (signo positivo) en dicha dirección. Crea un campo magnético circular que cambia las lecturas de la brújula. No se sabe con certeza si la brújula se hizo a partir de antimonio y bismuto o Seebeck encontró materiales más tarde en privado, pero aún termopares se hace a menudo de estos metales. La combinación es seleccionado por su alta eficiencia.

El uso de generadores termoeléctricos

La experimentación, se encontró que la eficiencia del termopar alcanza casi el 3%. A principios del siglo XIX es bastante decente, capaz de competir con cualquier máquina de vapor. En la literatura soviética proporciona información que la eficiencia termoeléctrica no alcanzó 0,5%. En primer lugar, no es siempre lo que se refiere termopares separados, y, en segundo lugar, se considera que es la propaganda comunista. En la época soviética, la marca de ordenadores personales (un concepto desarrollado en la URSS), y ahora cualquier funcionario cuenta con un nuevo ordenador portátil de Corea o Estados Unidos. Los autores son más propensos a depender de fuentes extranjeras, las principales figuras en la región del 3%.

Georg Ohm, utilizando un termopar, abrió la conocida ley, Faraday las utilizó para la investigación de la electrólisis. Los científicos adquirieron rápidamente un gusto por, y para mediados del siglo XIX ya estaban presentes los generadores termoeléctricos gran rendimiento suficiente - y para el revestimiento de piezas metálicas. Con el informe de Seebeck de termopar se convierten en una parte integral de las instalaciones experimentales donde se requiera para obtener estabilidad. Y por el principio del siglo XX hemos creado una matriz de estructuras.

La revista rusa escribió acerca de la iluminación del horno termoeléctrico, la batería Gyulhera se utiliza para cargar las baterías. El interés en esta área se debilitó ligeramente después de la invención del motor de combustión interna y motores eléctricos, pero en los modernos termopares mundo se consideran fuentes de energía prometedoras para el desarrollo de la vista. Sin embargo, la posibilidad de utilizar los rayos del sol parecía atractivo, incluso al principio del siglo XX. Los primeros datos experimentales publicados en 1922 fueron: "El aparato 105 de los termopares (Copper-Constantan), un área de 1 metro cuadrado. cm cada uno, lo que demuestra la eficiencia de 0.008%, al mediodía dando de energía de aproximadamente 61 mW. "

Al mismo tiempo, el efecto Seebeck comenzó a ser utilizado para alimentar radios portátiles. El tema de los generadores termoeléctricos mostrados reklamka ese momento. En la llanura Inglés se les da a los lectores a entender que la nueva fuente de alimentación es buena para escuchar las últimas noticias. No es de extrañar que en un corto período de tiempo y apareció en la URSS Diario señala amantes, se informó de que la lámpara de queroseno de calor sensible se puede utilizar para circuitos de electrónica de potencia. Czeczik en la revista "Los pobres" (1928) informó de un generador de su propio diseño de los termopares de hierro-níquel. El mismo tipo de artículo apareció en el número 13, la revista "Radifront" en 1937.

generadores posguerra efecto Seebeck dieron un efecto beneficioso en la cantidad de 1 vatios de potencia para 1 kg de peso. Sin embargo, la eficacia es aún baja. En una literatura rusa derecha - artículos soviéticos no iban por delante del resto. Ya durante la Segunda Guerra Mundial, el efecto Seebeck suministra la energía reservada de los operadores de radio, que se calientan en un incendio en un momento difícil. Considerado la posibilidad de utilizar de nuevo, muchos libros de física contienen información sobre el generador de Joffe, creada en los primeros años 50 (ver. Fig.). En el momento en que se creía que es posible lograr la eficiencia de 5-7%, se emitieron generador TGK-3 para Radio. se creó el área de células solares de 360 ​​cuadrado. ver que dio 0,175 vatios con una eficiencia de 0,59%. Uno puede ver que se ha incrementado significativamente.

Por ejemplo, el generador de lámpara de queroseno Ioffe 50s de muestra de radio permite la alimentación a una temperatura en las uniones internas de 300-350 grados Celsius y externos - en el rango de 60. A continuación, hemos demostrado la capacidad para crear dispositivos con un rendimiento del 8%. Historia del desarrollo de generadores termoeléctricos a la hora más tarde posible contemplar en la sección correspondiente, y ahora mirar los procesos físicos que se producen en los conductores.

Los sensores térmicos

A principios de los años 80 a 40% de todas las mediciones industriales necesarios de la temperatura y 2/3 de ese número de sensores que trabajan en el efecto Seebeck. Los científicos llegaron rápidamente a la conclusión de que la baja eficiencia se justifica por la alta precisión. En la URSS, habría aprendido antes tomarse la molestia de traducir al ruso el trabajo de los primeros años 20-s del siglo XIX de Georg Ohm. Sacudir amplitud de dispositivos de aplicación - 0,5 a 3.000 K.

la industrialización desenfrenada ha provocado la necesidad de nuevos métodos para el control de los procesos tecnológicos. Para horizontes de crecimiento no seguir el ritmo de la clase obrera y las personas en necesidad de descanso y ocio. En palabras de un escritor, los descubrimientos científicos se han vuelto comunes en los Estados Unidos, cuando fue posible establecer la vida y para calmar los indios militantes. Sin la ciencia, el país no se desarrolla y no ve el beneficio, el ocio y el tiempo libre se considera como un recurso valioso. Las ventajas de los sensores en el efecto Seebeck son:

1. Baja inercia. Si es requerido por el primer estabilidad del producto, por lo que deliberadamente engorrosa, lenta respuesta al ambiente externo, termopar moderna (ver. Fig.) Es de tamaño pequeño y está incluido en la composición y de consumo dispositivos (por ejemplo, refrigeradores).
   

   termopar moderna

2. Facilidad de instalación. El hombre que se enfrenta a la necesidad de reemplazar el termostato del refrigerador barométrica sabe que es difícil y laborioso proceso. El termopar está conectado un corte del alambre, de forma rápida y fácil.
3. Una extensa gama de medición de la temperatura ha subrayado. Hoy en día, incluso los probadores venden termopar consumidor como un sensor. El rango depende de las características de diseño, es fácil para seleccionar funciones asequibles y avanzados.
4. El proceso tecnológico se caracteriza por parámetros repetibles de lote a lote uniformidad, facilidad de fabricación, la posibilidad de miniaturización, adecuada para el montaje automatizado.

Estas características hacen que sea posible con flexibilidad, precisión y rapidez seguimiento de los cambios de temperatura. La sensibilidad del producto se determina por el coeficiente de Seebeck, llegando a 100 mV / K. La principal característica de los termopares - parámetro de estabilidad dependiendo de la mecánica, térmica, magnética, y así sucesivamente. impactos. Por lo tanto, no siempre se considera que es la principal característica de la estabilidad. A veces es en detrimento de la eficiencia mediante la selección de una aleación con la máxima resistencia a ciertos factores externos.

¿Cómo funciona un termopar

El efecto Seebeck se mantuvo mucho tiempo sin explicación. Hoy distinguir dos teorías que describen los procesos de:

• cinética (microscópico);
• termodinámico (macroscópica).

Esto sugiere que los datos exactos sobre el mecanismo de acción del termopar en la ciencia de hoy no está allí.

explicación sencilla

En primer lugar, en lugar de sumergirse en la teoría compleja, se propone considerar la sencilla explicación dada por los estudiantes de varias universidades. Profesores interpretan un evento, basado en el fenómeno de la emisión termoiónica y electronegatividad de metales y aleaciones. La primera se conoce para ser flotado en la luz cuando el filamento de la bombilla desarrollado. Condiciones previas se convirtieron en la investigación de Edison. obras electrónicas lámpara porque en vacío electrodo precalentado comienza a emitir portadores de carga desde la superficie. Los líderes, por supuesto, pronto se establecieron en el campo, la superficie está ahora cubierto por la electrólisis de los materiales adecuados.

La esencia del efecto de las emisiones termoiónicas: portadores de carga presentan función de trabajo cero de la red cristalina. Se cree que a la temperatura normal se sitúa por encima de la superficie de metal una nube de electrones delgada. Pero la imagen del cuerpo de la carga positiva en el caso en que no es. Como resultado, el calentamiento de electrones de salida obtiene la energía y capaz de dejar el metal. Mucho intensidad del proceso se observa a una temperatura de 1000 K. La función de trabajo no es el mismo para los metales, los científicos creen que esto se debe en parte a su electronegatividad.

Cuando las dos muestras se ponen en contacto, el proceso de redistribución comienza. Esto ocurre hasta que una nube de electrones densa de metal de equilibra el otro. El proceso parece ser completa. Pero... sólo Seebeck descubrió que el calor hace encima de cargas. se produce la recombinación, la fusión y la desintegración, como resultado de termopar formadas en los extremos de la diferencia de potencial. El efecto se mejora mediante el uso de dos o más uniones. Lo que hay que hacer física en la primera mitad del siglo XIX. A continuación, la primera unión de termopar se calienta y el otro se enfrió.

Cuando se calienta, densidad de urdimbre de las nubes de electrones de los dos metales se hace más fuerte. En consecuencia, la diferencia de potencial aumenta. Energía elimina energía térmica se compensa fuente de corriente. efecto Seebeck se manifiesta a cualquier temperatura, fuertemente aumenta con su aumento.

La teoría termodinámica del efecto Seebeck

teoría termodinámica opera con valores comunes: flujo, fuerzas gradientes. Al resolver ecuaciones obtenidas ley de Ohm sobre la relación entre corriente, voltaje, resistencia y Fourier - el flujo de calor de la comunicación y el gradiente de temperatura. factores especiales introducidos con nombres específicos:

• conductividad aislado (inversa de la resistividad);
• conductividad térmica.

La ecuación resultante es una consecuencia de la presencia de una vez tres efectos: Seebeck, Peltier y Lord Kelvin. Se encuentran en su mayor parte experimental, sin una teoría. El efecto Seebeck ya está bastante considerado, Peltier descubrió la formación de diferencia de temperatura de unión inversa por la corriente. efecto Thomson intrincada. Sostiene que cuando hay a lo largo de (diferencia) el gradiente de temperatura del conductor comienza transferidos (liberada o absorbida) de calor. examinado y probado en derecho en la teoría termodinámica:

1. metales intermedios en un circuito cerrado hecha de metales diferentes a la misma temperatura suma EMF cero. Esto se considera una expresión de la segunda ley de la termodinámica. El trabajo no se hace sin el gasto de energía. ¿Qué ocurre al mismo uniones de temperatura "Prueba: transferencia de calor debido a la corriente imposible debido al efecto Peltier. Esto causaría un calentamiento de algunas zonas y otra de enfriamiento. Eso significaría que la transferencia de calor de los lugares más fríos en ausencia de una fuente de alimentación externa. El aire acondicionado no podría funcionar con electricidad, pero debido a una información sobre las conexiones ".
2. Magnus en el bucle cerrado del mismo material no es compatible con diferencia de temperatura actual. Consecuencia de la ley era la FEM sólo depende de la diferencia entre las temperaturas de unión. No se preocupe por el calentamiento o enfriamiento de las condiciones externas de los propios conductores.
3. Sucesivas (intermedio) Temperatura: la suma algebraica de la fem en el contorno en el intervalo de T1 a T3 es La suma algebraica de la fem plegado a lo largo del contorno a intervalos de T1 a T2 y desde T2 a T3, con cualquier valor de T1, T2 y T3.

Los tres de la ley argumentan que la fuerza electromotriz resultante se convierte en una función sólo de la temperatura de la unión. Estos postulados son reconocidos como la base de mediciones, incluyendo lo que está sucediendo en los refrigeradores domésticos. Otros tratamientos: termopar no es necesariamente contiene dos metales. Si se desea medir el gradiente de temperatura a lo largo del thermoelectrode, es suficiente para que una ocurrencia de los CEM. Un segundo material se pondrá en contacto los hallazgos. Este es el caso de un degenerado y bastante eficiente termopar, derivada de las ecuaciones fundamentales de la teoría termodinámica. En consecuencia, el efecto predicho analíticamente.

Se hace en la imagen de abajo a la vista de la complejidad de la grabación de fórmulas matemáticas imposición de Internet. Se ve que en ausencia de corriente eléctrica que se simplifica la primera ecuación de la teoría termodinámica. De ello se desprende que la eliminación del convertidor de voltaje analógico a digital con un suministro de límite de corriente más pequeña, refrigerador Bosch cuesta "termopar" de un solo metal.

Distinguir entre EMF absoluta y relativa. El segundo se refiere a un par de materiales, y la primera - caracteriza sólo un único. emf absoluta se mide utilizando el estándar, para los que otros métodos ya medidos indicaron valor (aceite de petróleo). A partir de los experimentos es un EMF diferencial, que permite calcular el valor. Estándares reconocidos actualmente:

• Para temperaturas relativamente altas (por encima de 100 K): platino, oro, cobre, tungsteno.
• El plomo en los demás casos.

A muy bajas temperaturas por debajo de 20 K la EMF absoluta se determina directamente. En algunos materiales se convierte en cero y, la combinación de la muestra de ensayo con un par de inmediato llegado al valor deseado. La mayoría de los metales EMF absoluta en el intervalo de 0 a 80 mV / K.

La teoría cinética

La teoría cinética tiene que ver con el estado de no equilibrio del medio ambiente. Los estudia en movimiento. Se basa en la Bardeen-Cooper-Schrieffer, no es tan bien conocido por el público. En consideración de la teoría aceptada de probabilidad, cada partícula se considera individualmente, sin tener en cuenta el rendimiento global del sistema. Por esa teoría llamada microscópica.

En consideración de los conceptos introducidos: Cooper par de electrones de la superficie frecuencia Fermi Debye y así sucesivamente. Teoría opera ecuaciones posiciones probabilísticos de las partículas, la función de Boltzmann. De acuerdo con las representaciones de la ciencia a principios del siglo XX en cada metal hay una cierta concentración de electrones dispersados ​​al azar, sino que obedecen el modelo de Boltzmann. Estas diversas teorías fueron nombrados:

• Cáncer.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

Según el modelo de Boltzmann, la energía media de traslación de movimiento de las partículas es 2/3 kT, donde k - es la constante de Boltzmann. De acuerdo con esta interpretación emf termoeléctrico es una función de la concentración de partículas en los dos metales del termopar y la temperatura (ver. Fig.). Es fácil comprobar que la fórmula presentada por el metal no se corresponde con las observaciones reales. Esto se realiza simplemente contando los valores emf en dividir el intervalo de temperatura y encontrar el coeficiente de Seebeck. Él claramente sobreestimada.

La controversia fórmula principios del siglo XX fue eliminado Frenkel y la teoría de Sommerfeld (1927). Últimos electrones se colocan en el modelo de la estadística cuántica de Fermi-Dirac. coeficiente de Seebeck Sommerfeld se obtiene una cantidad muy pequeña. Esto se explica fácilmente por el hecho de que la fórmula de la teoría cinética operar con concentraciones de electrones directamente, pero son difíciles de medir y realizar un seguimiento.

Semiconductores obedecen mejor la teoría cinética. Los electrones de un material con una densidad más alta difusa y alcance de la interfaz. El proceso continúa siempre y cuando el campo de contador "emigrantes" contrarresta el flujo contador movimiento. En términos de explicar el proceso de la teoría cinética no es diferente de los argumentos, emitir los dos epígrafes anteriores, pero hay matices:

1. Con el aumento de concentración de portadores de una corriente signo particular los lleva al extremo frío, pero la carga ya se acumulan impide durante el proceso. Los portadores del signo opuesto, por el contrario, acelerados por el campo. Como resultado, el contador fluye en el límite entre los medios de comunicación será igual, y la diferencia de potencial es valor de temperatura determinado.
2. El coeficiente de difusión está estrechamente relacionado con la movilidad de carga. Esta relación se establece por Einstein. Se crea la concentración desigual, por lo tanto el gradiente de temperatura. cargos menos móviles forman una especie de corcho en su camino debido a la baja velocidad de movimiento. El campo de esta acumulación de portadores de carga de partículas de alas de signo opuesto. Como resultado, el proceso alcanza el equilibrio.

La presencia de dos símbolos de soporte debido a los altos coeficientes Seebeck en el semiconductor. En los metales tienen un aumento de la concentración de electrones llega a 10 sextillones por centímetro cúbico. Por consiguiente, las fluctuaciones de temperatura de las figuras no pueden ser grandes, lo que explica el bajo coeficiente Seebeck de los metales.