Раздел 6. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ

Термоэлектрические явления

В основе реализации способа лежат термоэлектрические явления, которые обычно сопутствуют один другому и обусловлены существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках и полупроводниках. Под термоэлектрическими явлениями понимают три термоэлектрических эффекта – Зеебека, Пельтье и Томсона, которые связаны с процессом переноса теплоты между местами контакта (спаями) в проводниках и полупроводниках.

Эффект Зеебека заключается в следующем: если составить электрическую цепь (термоэлемент) из двух разнородных проводников и места контактов поддерживать при разных температурах, то на свободных концах появится термоэлектродвижущая сила или термоЭДС (рис.6.1,а). В цепи, замкнутой на миллиамперметр, можно обнаружить электрический ток, который будет протекать до тех пор, пока температура спаев будут различные.

ТермоЭДС (мкВ), может быть определена как:

, (6.1)

где е – коэффициент Зеебека, мкВ/К; Т₂ и Т₁ – температуры горячего и холодного спаев, К.

Явление Зеебека обусловлено тем, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, во всех проводниках зависит от температуры, но в несходных материалах по-разному. Электроны в нагретом спае приобретают высокую скорость и устремляются на холодный спай, на котором накапливается отрицательный заряд. Этот процесс продолжается до тех пор, пока возникающая таким образом термоЭДС не уравновесит термодиффузию электронов.

Явление Зеебека широко используют в термометрии – в любой термопаре происходит непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. Заметим, что коэффициент е для большинства металлов невелик и не превышает несколько микровольт на градус. В отличие от металлов коэффициент е у полупроводников значительно больше и составляет сотни микровольт на градус.

Рис. 6.1. Термоэлектрические явления Зеебека (а) и Пельтье (б)

Эффект Пельтье представляет собой явление, обратное явлению Зеебека. Если через электрическую цепь, составленную из разнородных материалов, пропустить ток, то в зависимости от его направления в дополнение к теплоте Ленца-Джоуля на одном из контактов выделяется теплота, а на другом – она поглощается, т.е. происходит охлаждение (рис. 6.1, б). Явление Пельтье можно объяснить следующим образом. Так как в различных проводниках средняя энергия электронов, участвующих в переносе электрического тока, неодинакова, электроны при переходе из одного проводника в другой либо пополняют свою энергию, отнимая ее в месте контакта у атомов проводника, в который они перешли, либо, наоборот, передают этим атомам избыток энергии. В первом случае теплота Пельтье поглощается, а во втором – выделяется. Особенно сильно эффект Пельтье проявляется в системах, состоящих из полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. При этом если электрический ток направлен от дырочного полупроводника к электронному, то тепловая энергия в контакте выделяется. Когда ток протекает от электронного полупроводника к дырочному, тепловая энергия в контакте поглощается.

Теплота Пельтье (Дж) определяется выражением:

, (6.2)

где К_п - коэффициент Пельтье, В/с; I - сила тока в цепи термоэлемента, А; τ – время протекания тока, с.

Между коэффициентами Пельтье и Зеебека существует связь, которую определил Томсон в своих исследованиях:

, (6.3)

где Т - температура спая, К.

Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, в котором существует перепад температур, к теплоте Ленца-Джоуля дополнительно выделяется или из нее поглощается некоторое количество теплоты (теплота Томсона) (Дж).

, (6.4)

где К_Т - коэффициент Томсона, В/(с∙К); Т₂ и Т₁ - температура в различных участках проводника, К.

Эффект Томсона объясняется тем, что в более нагретом участке проводника средняя энергия носителей тока больше, чем в менее нагретом. Если носители тока перемещаются в направлении убывания температуры, то они избыток энергии отдают кристаллической решетке и выделяется теплота. Если носители тока движутся в противоположном направлении, то они пополняют свою энергию за счет энергии кристаллической решетки и теплота поглощается.

В основе работы термоэлектрических устройств нагрева и охлаждения лежит использование эффекта Пельтье.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: