Seebeck-effect

Seebeck effect - is de vorming van een potentiaalverschil aan de grens grensvlak van twee verschillende materialen door verwarming van de techniek.

uit de geschiedenis

De geschiedenis is stil, hij wilde de Seebeck krijgen in 1822, toen opgewarmd contact van antimoon en bismut. Misschien is het effect was het resultaat van willekeurige toevalligheden, zoals vaak gebeurt, en hoe het gebeurde in Oersted van het kompas pijl. De galvanometer Seebeck geregistreerd wanneer een hand hield de thermokoppeljunctie. Het wordt beschouwd als een gelukkig toeval, is hij verplicht om de eigenaar van een succesvolle kompas design. De inrichting bestaat uit twee helften: een metalen frame, de rand van een glazen deksel. Rustend zijn hand op het terrein, Seebeck genoemde afwijking van de magnetische naald uit zijn uitgangspositie. Zeker het verschil was niet zo merkbaar, maar de wetenschapper geduldig herhalen van de ervaring van het kijken naar het resultaat.

De figuur toont dat de weergavelamp veroorzaakt significante afbuiging van de magnetische meridiaan. Dit komt door het gebied vloeiende stroom. Nieten, hechten pijl boven draagt ​​ladingen (positief teken) in genoemde richting. Maakt een cirkelvormig magnetisch veld dat de kompasmetingen verandert. Het is niet met zekerheid bekend of het kompas werd gemaakt van antimoon en bismut of Seebeck gevonden materialen later in prive, maar nog steeds thermo-elementen zijn vaak gemaakt van deze metalen. De combinatie is gekozen vanwege de hoge efficiëntie.

Het gebruik van thermo-elektrische generatoren

Experimenteren, vonden we dat de efficiëntie van het thermokoppel bijna 3% bereikt. Aan het begin van de negentiende eeuw is het heel behoorlijk, kunnen concurreren met elke stoommachine. In de Sovjet-informatie wordt verschaft dat de thermo-efficiëntie niet bereiken 0,5%. Ten eerste is het niet altijd met betrekking tot afzonderlijke thermokoppels, en ten tweede wordt beschouwd als communistische propaganda zijn. In de Sovjet-tijden, branded personal computers (een concept ontwikkeld in de Sovjet-Unie), en nu een officieel beschikt over een gloednieuwe laptop uit Korea of ​​de Verenigde Staten. De auteurs hebben meer kans om te vertrouwen op buitenlandse bronnen, leidende figuren in het gebied van 3%.

Georg Ohm, met behulp van een thermokoppel, opende de bekende wet, Faraday gebruikte ze voor elektrolyse onderzoek. Wetenschappers snel een voorliefde voor verworven, en tegen het midden van de negentiende eeuw waren al aanwezig thermo-elektrische generatoren groot genoeg prestaties - en voor de bekleding van metalen onderdelen. Met verslag geworden Seebeck thermokoppel een integraal onderdeel van de experimentele faciliteiten indien nodig om de stabiliteit te verkrijgen. En aan het begin van de twintigste eeuw hebben we een reeks van structuren.

De Russische tijdschrift schreef over de verlichting van thermo-elektrische oven, wordt Gyulhera batterij gebruikt om de batterijen op te laden. De belangstelling voor dit gebied enigszins verzwakt na de uitvinding van de verbrandingsmotor en elektrische motoren, maar in de moderne wereld thermokoppels worden beschouwd als veelbelovend stroombronnen voor de ontwikkeling van uitzicht. Echter, het vooruitzicht van het gebruik van de zonnestralen leek aantrekkelijk, zelfs aan het begin van de twintigste eeuw. De gepubliceerde in 1922 eerst experimentele gegevens waren: "de inrichting 105 thermokoppels (koper-constantaan), een oppervlakte van 1 vierkante. cm elk, hetgeen de efficiëntie van 0,008%, 's middags brengende energie van ongeveer 61 mW. "

Tegelijkertijd begon de Seebeck-effect moet worden gebruikt om draagbare radio's aan te drijven. Het onderwerp van thermo-elektrische generatoren aangetoond reklamka die tijd. In gewoon Engels lezers te verstaan ​​gegeven dat de nieuwe voeding is goed om het laatste nieuws te luisteren. Geen wonder dat in een korte tijd en verscheen in de USSR Journal merkt liefhebbers, werd gemeld dat de hitte kerosine lamp verstandig kan worden gebruikt om de macht elektronica circuits. Czeczik in het tijdschrift "De armen" (1928) rapporteerde een generator van een eigen ontwerp van de ijzer-nikkel thermokoppels. De zelfde soort artikel verscheen op nummer 13, "Radifront" magazine in 1937.

Naoorlogse generatoren Seebeck effect heeft een gunstig effect op de hoeveelheid van 1 watt gedurende 1 kg gewicht. Maar het rendement is nog steeds laag. In een van de Russische literatuur rechts - Sovjet-artikelen niet voorsprong op de rest te gaan. Al tijdens de Tweede Wereldoorlog, het Seebeck-effect leverde de rustige energie van radio-operators, opwarming zichzelf bij een brand in een onrustige tijd. De mogelijkheid overwogen opnieuw met veel natuurkundeleerboeken bevatten informaties generator Joffe, die in de vroege jaren 50 (zie. Fig.). Tegen de tijd werd aangenomen dat het mogelijk is om efficiency van 5-7%, uitgegeven generator TGK-3 voor radio. zonnecel oppervlakte van 360 vierkante is gemaakt. dat 0.175 watts bij een efficiëntie van 0,59%. Men kan zien dat het aanzienlijk is toegenomen.

Bijvoorbeeld kerosine lamp generator Ioffe monster 50s radio laten voeding bij een temperatuur in het interne knooppunten van 300-350 graden Celsius en extern - in het gebied van 60. Dan hebben we bewezen vermogen om apparaten te maken met een rendement van 8%. Geschiedenis van de ontwikkeling van thermo-elektrische generatoren om de laatste mogelijke tijd om te overwegen in het desbetreffende gedeelte, en nu kijken naar de fysische processen die zich voordoen in de geleiders.

thermische sensoren

Aan het begin van de jaren 80 tot 40% van alle industriële nodige metingen van de temperatuur en 2/3 van dat aantal sensoren aan het Seebeck-effect. Wetenschappers kwam al snel tot de conclusie dat het lage rendement wordt gerechtvaardigd door hoge precisie. In de Sovjet-Unie, zou het hebben geleerd eerder lastig te vertalen in het Russisch het werk van Georg Ohm begin van de 20-er jaren van de negentiende eeuw. Schudden breedte van aanbrenginrichtingen - 0,5-3000 K.

Ongebreidelde industrialisatie heeft geleid tot de behoefte aan nieuwe methoden voor het regelen van technologische processen. Voor de teelt van horizonten geen gelijke tred met de arbeidersklasse en de mensen die behoefte hebben aan rust en ontspanning. In de woorden van een schrijver, hebben wetenschappelijke ontdekkingen gemeengoed in de Verenigde Staten, worden wanneer het mogelijk was om het leven vast te stellen en de militante indianen te kalmeren. Zonder wetenschap, heeft het land niet ontwikkelen en ziet geen winst, recreatie en vrije tijd wordt beschouwd als een waardevolle bron. De voordelen van de sensoren op het Seebeck-effect zijn:

1. Lage inertie. Indien vereist door het eerste product stabiliteit, waardoor ze opzettelijk omslachtig, trage reactie op de externe omgeving, modern thermokoppel (zie. Fig.) Is klein en is opgenomen in de samenstelling en verbruikers (bijvoorbeeld koelkasten).
   

   modern thermokoppel

2. Installatiegemak. De man die wordt geconfronteerd met de noodzaak om de barometrische koelkast thermostaat vervangen weet hoe het is moeilijk en tijdrovend proces. Het thermokoppel is verbonden een verlaging van de draad snel en eenvoudig.
3. Een uitgebreide reeks temperatuurmeting is onderstreept. Vandaag de dag, zelfs de testers verkocht thermokoppel consument als een sensor. Het bereik is afhankelijk van de ontwerpkenmerken, is het gemakkelijk om betaalbare en geavanceerde functies te selecteren.
4. De technologische werkwijze wordt gekenmerkt door herhaalbaar parameters van partij tot partij uniformiteit, gemak van vervaardiging, de mogelijkheid tot miniaturisatie, geschikt voor geautomatiseerde assemblage.

Deze functies maken het mogelijk om flexibel, snel en nauwkeurig bijhouden temperatuurveranderingen. De gevoeligheid van het product wordt bepaald door de Seebeck-coëfficiënt, tot 100 mV / K Het belangrijkste kenmerk van thermokoppels - stabiliteit parameter afhankelijk van de mechanische, thermische, magnetische, enzovoort. schokken. Daarom is het niet altijd beschouwd als het belangrijkste kenmerk van stabiliteit. Soms is ten koste van de efficiëntie door een legering te selecteren met een maximale weerstand tegen bepaalde externe factoren.

Hoe werkt een thermokoppel

De Seebeck effect bleef lange tijd zonder opgaaf van redenen. Vandaag onderscheiden twee theorieën beschrijven van de processen:

• kinetische (microscopisch);
• thermodynamische (macroscopische).

Dit suggereert dat nauwkeurige gegevens over het werkingsmechanisme van het thermokoppel in de hedendaagse wetenschap is er niet.

eenvoudige uitleg

Ten eerste, in plaats van een duik in de complexe theorie, wordt voorgesteld om de eenvoudige uitleg gegeven door de studenten van verschillende universiteiten te overwegen. Docenten interpreteren een evenement, op basis van de thermische emissie fenomeen elektronegativiteit van metalen en legeringen. De eerste is bekend dat geïntroduceerd op het licht wanneer de lamp gloeidraad ontwikkeld. Randvoorwaarden werd onderzoek Edison's. Elektronische lamp werkt omdat onder vacuüm voorverwarmde elektroden begint ladingsdragers emitteren vanaf het oppervlak. Natuurlijk, werden al snel gevestigd leiders in het veld, wordt het oppervlak nu gedekt door de elektrolyse van de juiste materialen.

De essentie van de werking van de thermionische emissie: ladingdragers vertonen nul werkfunctie van het kristalrooster. Gemeend wordt dat bij normale temperatuur boven het metaal hangt oppervlak een dunne elektronenwolk. Maar het lichaam beeld van de positieve lading op de zaak on is niet. Hierdoor verwarmingsvermogen elektron krijgt energie en in staat om het metaal te verlaten. Veel intensiteit van de werkwijze wordt waargenomen bij een temperatuur van 1000 K. Het werk functie is niet hetzelfde voor metalen, wetenschappers geloven dat dit gedeeltelijk te wijten aan hun elektronegativiteit.

Wanneer de twee monsters in contact worden gebracht, de herverdeling begint. Dit gebeurt tot een dichte elektronenwolk van metaal andere balanceert. Het proces lijkt volledig te zijn. Maar... gewoon Seebeck ontdekte dat warmte maakt kosten. Recombinatie optreden smelten en uiteenvallen, als gevolg van thermokoppel gevormd aan de einden van het potentiaalverschil. Het effect wordt versterkt door het gebruik van twee of meer kruispunten. Wat te natuurkunde doen in de eerste helft van de negentiende eeuw. Dan het eerste thermokoppeljunctie wordt verhit en de andere gekoeld.

Bij verhitting scheringdichtheid van de elektronenwolken van de twee metalen sterker. Derhalve het potentiaalverschil toeneemt. Energie verwijdert warmte-energie wordt gecompenseerd stroombron. Seebeck effect manifesteert zich bij elke temperatuur, sterk toe met verhoging.

De thermodynamische theorie van het Seebeck-effect

Thermodynamische theorie werkt met gemeenschappelijke waarden: stroom, gradiënten krachten. Door oplossen van vergelijkingen verkregen wet van Ohm over de verhouding tussen stroom, spanning, weerstand en Fourier - warmtestroom communicatie en temperatuurgradiënt. Geïntroduceerd bijzondere factoren met specifieke namen:

• Geïsoleerde geleiding (omgekeerde van weerstand);
• thermische geleidbaarheid.

De resulterende vergelijking is een gevolg van de aanwezigheid van eens drie effecten: Seebeck, Peltier en Lord Kelvin. Ze liggen voor het grootste deel experimentele, zonder een theorie. De Seebeck effect reeds vrij beschouwd, Peltier ontdekt de vorming van omgekeerde verschil junctietemperatuur de stroom. Thomson effect ingewikkeld. Hij stelt dat wanneer daarlangs (verschil) de geleider temperatuurgradiënt begint overgedragen (vrijgegeven of geabsorbeerd) warmte. onderzocht en bleek in de wet in de thermodynamische theorie:

1. Tussenproduct metalen in een gesloten circuit van verschillende metalen bij dezelfde temperatuur EMF nulsom. Dit wordt beschouwd als een uiting van de tweede wet van de thermodynamica. Het werk is niet gedaan zonder de uitgaven van energie. Wat gebeurt er bij dezelfde temperatuur kruispunten "Proof: warmte-overdracht als gevolg van de huidige onmogelijk is vanwege de Peltier effect. Dit zou een verwarming van sommige gebieden en andere koeling veroorzaken. Dat zou de overdracht van warmte van de koudere plekken in de afwezigheid van een externe voedingsbron betekenen. Airconditioning kon niet werken op elektriciteit, maar als gevolg van een speciale bedrading verbindingen. "
2. Magnus in de gesloten lus van hetzelfde materiaal wordt niet door actuele temperatuurverschil. Gevolg van de wet was de EMF alleen afhankelijk van het verschil tussen knooppunt temperaturen. Maak je geen zorgen over de verwarming of koeling van de externe omstandigheden van de geleiders zelf.
3. Opeenvolgende (tussenproduct) Temperatuur: de algebraïsche som van de EMK op de contour in het gebied van T1 tot T3 De algebraïsche som van de emf gevouwen langs de omtrek op afstanden van T1 naar T2 en van T2 tot T3, met alle waarden van T1, T2 en T3.

Alle drie de wet stellen dat de resulterende elektromotorische kracht wordt een functie van alleen de junctietemperatuur. Deze postulaten worden erkend als de basis van de metingen, met inbegrip van wat er gebeurt in huishoudelijke koelkasten. Andere behandeling: thermokoppel is niet per se bevat twee metalen. Als u wilt dat de temperatuurgradiënt langs de thermoelectrode meten, is het genoeg voor een optreden van EMF. Een tweede materiaal zal contact opnemen met de bevindingen. Dit is het geval van een gedegenereerde en vrij efficiënt thermokoppel, als gevolg van de fundamentele vergelijkingen van de thermodynamische theorie. Bijgevolg is het effect voorspelde analytisch.

Het is gemaakt in de onderstaande afbeelding met het oog op de complexiteit van het opnemen van wiskundige formules Internet opleggen. Te zien is dat bij afwezigheid van elektrische stroom de eerste vergelijking van thermodynamische theorie wordt vereenvoudigd. Bijgevolg is het verwijderen van de spanning analoog-digitaalomzetter met een kleinere stroombegrenzing voeding, koelkast Bosch kost "thermokoppel" van een enkel metaal.

Onderscheid tussen absolute en relatieve EMF. De tweede heeft betrekking op een paar materialen en de eerste - kenmerkt slechts één. Absolute EMF wordt gemeten met standaard, met andere methoden reeds aangegeven gemeten waarde (olie olie). Uit de experimenten is een differentiële EMF, waardoor de vorming berekenen. Normen momenteel erkend:

• Bij relatief hoge temperaturen (boven 100 K): platina, goud, koper, wolfram.
• Lood in andere gevallen.

Bij zeer lage temperaturen beneden 20 K absoluut EMF rechtstreeks wordt bepaald. In sommige materialen nul en combineert het testmonster met een paar onmiddellijk komen tot de gewenste waarde. De meeste metalen absolute EMF in het traject van 0 tot 80 mV / K

kinetische theorie

De kinetische theorie heeft te maken met de niet-evenwichtstoestand van het milieu. Hij studeert ze in beweging. Het is gebaseerd op de Bardeen-Cooper-Schrieffer, is niet zo bekend bij het grote publiek. Met het oog op waarschijnlijkheid aanvaarde theorie, wordt elk deeltje afzonderlijk beschouwd, zonder te letten op de algehele prestaties van het systeem. Voor die theorie genaamd microscopische.

Gezien de begrippen geïntroduceerd: Cooper elektronenpaar het Fermi oppervlak Debye frequentie, enzovoort. Theorie werkt probabilistische vergelijkingen posities van de deeltjes, de Boltzmann-functie. Volgens de verklaringen van de wetenschap in het begin van de twintigste eeuw in elk metaal is er een zekere concentratie van elektronen verspreid willekeurig, maar gehoorzamen aan de Boltzmann model. Deze verschillende theorieën werden genoemd:

• Kanker.
• Drude.
• Lorentz.
• Debye.

Volgens de Boltzmann model, de gemiddelde translationele bewegingsenergie van de deeltjes 2/3 kT, waarbij k - de constante van Boltzmann. Volgens deze interpretatie thermo emf is een functie van de concentratie van deeltjes in de twee metalen van het thermokoppel en de temperatuur (zie. Fig.). Het is gemakkelijk om te controleren of wordt de formule voor het metaal niet overeen met waarnemingen,. Dit wordt uitgevoerd door het eenvoudig tellen emk waarden verdelen van het temperatuurbereik en vind de Seebeck-coëfficiënt. Hij maakte duidelijk overschat.

Controverse formule begin van de twintigste eeuw werd geëlimineerd Frenkel en Sommerfeld's theorie (1927). Laatste elektronen worden geplaatst in het model van de quantum statistiek van Fermi-Dirac. Sommerfeld Seebeck-coëfficiënt verkrijgt men een zeer geringe hoeveelheid. Dit kan gemakkelijk worden verklaard door het feit dat de formule van de kinetische werken met elektronen concentraties direct, maar ze zijn moeilijk te meten en te volgen.

Semiconductors beter gehoorzamen aan de kinetische theorie. Elektronen uit een materiaal met een hogere dichtheid en diffuse bereiken voor de interface. Het proces gaat door zolang de tellerveld "migranten" tegenwicht aan beweging tegenstroom. In termen van het verklaren van het proces van de kinetische theorie is niet anders dan de argumenten, werpe de twee rubrieken hierboven, maar er zijn nuances:

1. Met een verhoogde concentratie van dragers van een bepaald teken stroom voert deze naar het koude einde, maar er zijn reeds geaccumuleerde lading voorkomt tijdens het proces. De dragers van tegengesteld teken, daarentegen versneld door het veld. Hierdoor teller stroomt de grens tussen het medium gelijk zijn, en het potentiaalverschil bepaalde temperatuurwaarde.
2. De diffusiecoëfficiënt is nauw verbonden met de ladingsmobiliteit. Deze relatie komt tot stand door Einstein. De ongelijkmatige concentratie wordt gecreëerd, waardoor de temperatuurgradiënt. Minder mobiele kosten vormen een soort kurk in zijn weg vanwege de lage snelheid van de beweging. Het gebied van deze opeenhoping van ladingsdragers met tegengestelde vleugels teken deeltjes. Dientengevolge is de werkwijze bereikt evenwicht.

De aanwezigheid van twee symbolen dragende vanwege de hoge Seebeck coëfficiënten in de halfgeleider. In metalen hebben een verhoogde concentratie van elektronen 10 sextillions per kubieke centimeter bereikt. Dientengevolge kan de temperatuurschommelingen van de cijfers niet groot zijn, wat het lage Seebeck-coëfficiënt van metalen uit.