Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

    Определение 1

    В замкнутой цепи, которая состоит из нескольких металлов либо полупроводников, электрический ток не возбуждается при условии, если температуры всех тел равны друг другу. Если же температуры в местах контактов различаются, тогда в цепи появляется электрический ток. Такой ток называется термоэлектрический. Возникновение термоэлектрического тока, а также связанных с ним явлений Пельтье и Томсона, называют термоэлектричеством.

    Термоэлектричество

    Явление термоэлектричества открыл ученый Зеебек. Он изучал данное явление, но толковал его неверно. Зеебек полагал, что под влиянием разности температур в разных, но соединенных проводниках происходит выделение магнетизма.

    Рассмотрим пример опыта, в котором наблюдается возбуждение термоэлектрического тока.

    Пример 1

    К пластинке сурьмы Sb припаивают пластинку меди Cu. Между пластинками находится магнитная стрелка. При нагреве одного из спаев возникнет ток, и магнитная стрелка отклоняется. По направлению отклонения стрелки понятно, что ток перемещается от меди к сурьме. При охлаждении спая направление тока меняется на противоположное.

    Металл или полупроводник, по направлению которого бежит ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называется положительный, а другой – отрицательный. Первый – это анод, а второй – катод. В термоэлектрической паре медь–сурьма, сурьма будет положительной, а медь – отрицательной.

    Термоэлектродвижущая сила

    Определение 2

    Термо ЭДС Ε – это величина сложения электродвижущих сил двух спаев. ЭДС 1-го спая f(t) зависит от вида контактирующих металлов и температуры.

    Тогда запишем:

    где t1 – это температура части с большей температурой, t2 – это температура части спая с меньшей температурой.

    Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) α, то есть характеристика 2-х металлов термопары, находится по формуле:

    В опытах величину α измеряют по отношению к свинцу (а иногда и к другому металлу). Это означает, что α вычисляется для термопары, у которой 1 ветвь составлена из изучаемого материала, а 2-я – из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы α12 одного металла по отношению к другому металлу находится как:

    где α1 и α2 – это значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы 1-го и 2-го металлов по отношению к свинцу. Данные значения зависят от чистоты веществ и сильно меняются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, к примеру термопар (Cu, Bi); (Ag, Cu), (Au, Cu), идеально подходит формула для ЭДС термопары Ε:

    Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары можно представить формулой электродвижущей силы:

    Исходя из выражения (5) ЭДС становится равной 0 при t1=t2 и при t1+t2=-αβ. Величина τ – это температура нейтральной точки, которая равняется:

    Если при t2=const, увеличивать t1, то Ε будет увеличиваться по параболическому закону, достигнув максимума при t1=τ, а потом будет равна 0 и сменит знак при температуре t1=2τ-t2.

    Определение 3

    Точка инверсии – это температура, при которой величина ЭДС проходит через 0.

    Термо ЭДС цепи, которая составлена из 2-х разных проводников, при небольшой разности температур T0, может выражаться формулой:

    Формула (7) демонстрирует, что термо ЭДС цепи – это разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, причем в каждом из проводников появляется термо ЭДС Εi=αiT(i=1,2).

    Для нахождения не только величины, но и направления термо ЭДС приписывают конкретный знак. Значение α считается положительным, если появляющийся в проводнике термо ток протекает от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае протекает от проводника с меньшим α (алгебраически) к проводнику с большим α.

    Термосвойства у полупроводников выражаются намного сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах выражается не сильной зависимостью от температуры, а концентрации выражаются одинаковыми значениями при низкой и высокой температурах. У металлов наблюдается слабая зависимость положения уровня Ферми от температуры. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не превышает даже и нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и отверстий), точно так же как и все параметры (энергия носителей заряда и положение уровня Ферми) значительно зависят от температуры. Коэффициент α намного больше по сравнению с металлами и может достигать значения более 1000 мкВК.

    Термопара

    Термоэлектричество используют для генерации электрического тока. Отдельная термопара (термоэлемент) наделен очень небольшой электродвижущей силой. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживают на одной температуре, а все четные – при другой температуре. Причем электродвижущие силы отдельных элементов можно складывать. Термобатарея наподобие тепловой машины, включенной между нагревателем и холодильником. В этой машине большее количество теплоты, полученного от нагревателя, растрачивается на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар характеризуются слишком маленьким КПД (приблизительно 0,1%). Металлические термопары применяют лишь для установления температур и потоков лучистой энергии. Намного продуктивнее работают батареи термопар из полупроводников. Причем 1 ветвь термопары делают из полупроводника с электронной проводимостью, а 2-ю – из полупроводника с дырочной проводимостью. Коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар доходит до 15%.

    Пример 2

    Необходимо найти термо ЭДС пары железо–константан. При условии что абсолютные значения α по отношению к платине находятся в интервале температур 0100°С для Железа α1-αPt=+16 мкВК, для константана α2-αPt=-34,4 мкВК.

    Решение

    Дифференциальная термо ЭДС данной цепи равняется:

    16-(-34,4)=50,4 мкВК.

    При условии разности температур спаев:

    T2-T1=100 К.

    Тогда термо ЭДС данной пары будет равняться:

    50,4·100=5,04 (мВ).

    Ток в горячем спае будет протекать в направлении от константана к железу.

    Ответ: 5,04 мВ

    Пример 3

    Необходимо объяснить, почему появляется термо ЭДС.

    Решение

    Для понимания причины появления термо ЭДС применим цепь из 2-х проводников (рисунок 1). Пускай температура контакта B равна T1, температура контакта С равна T(Ti>T)Температура контактов А и D одинаковая и равняется T. Тепловые скорости электронов возле контакта B больше по сравнению с теми, что возле контакта С. Поэтому во 2-м проводнике появится поток диффундирующих электронов, направленный по направлению от B к С. На поверхности 2-го проводника образуются электрические заряды, а это означает, что возникает электрическое поле, его значение таково, что в установившемся состоянии данное поле порождает такой ток дрейфа, который может компенсировать ток диффузии.

    Рисунок 1

    Следовательно, если в проводнике существует градиент температур, тогда в нем возникает градиент электрического потенциала.

    Помимо этого, термо ЭДС вызывается не только диффузией в объеме, но также и контактными скачками потенциала φi12 и φi21. Поскольку они зависят от температуры, тогда их сумма не равна 0. Напряжение, регистрируемое вольтметром на рисунке 1, равное термо ЭДС, суммируется из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    5,0 из 5 (19 голосов)