Efekty termoelektryczne Seebecka i Peltiera

Efekt Seebecka: Przekształcanie różnicy temperatury w napięcie

Gdy jedna końcowa część materiału przewodniczącego lub poloprzewodniczącego jest grzana, podczas gdy druga pozostaje chłodna, wolne nosicielki ładunku blisko ciepłej końcowki zdobywają dodatkową energię termiczną i na średnim poziomie ruchują w stronę zimnej końcowki szybciej niż nosicielki zimnej końcowki ruchują w stronę ciepłej. W metalu lub n-type poloprzewodnikowym przewoźne nosicielki to elektrony, które są ujemne, więc ta difuzja tworzy dodatkowy ładunek ujemny na zimnej końcowce i pozostawia ciepłą końcowkę względnie pozytywną, budując pol pole elektryczne wewnętrzne, które przeciwdziała dalszej difuzji aż do osiągnięcia równowagi. W p-type poloprzewodniku dominującymi nosicielkami są pozitywne dziury, więc polarność wynikającego napięcia jest odwrotna. Rozmiar tego napięcia otwartego obwodu podzielony przez różnicę temperatur, która go wywołała, nazywa się współczynnikiem Seebecka, zwykle oznaczanym literą S i pomiarowym w mikrovoltach na kelvin, a jest to właściwość konkretnego materiału, nie tylko połączenia. Jedna drutownia tworzy to pol pole elektryczne, ale nie można go bezpośrednio pomierzyć za pomocą voltmetru wykonanego z tego samego materiału, ponieważ wskazówka voltmetru generuje równe i przeciwny napięcie. To jest powodem, dla którego praktyczne termokolce zawsze parują dwa różne materiały: na ciepłym połączeniu dwie materiały tworzą różne pola elektryczne wewnętrzne, ponieważ mają różne współczynniki Seebecka, a ta różnica przetrwa nawet po tym, jak oba ramiona są połączonych w zamknięty obwód i prowadzonych do zimnego referencyjnego połączenia, tworząc netto mierzone napięcie proporcjonalne do różnicy temperatur między dwoma połączeniami. Popularne pary termokolców obejmują chromel-alumel (typ K) i cynk-constan (typ T), wybrane ze względu na znaczące różnice w ich współczynnikach Seebecka, które pozostają stabilne i powtarzalne nad szerokim zakresem temperatur. Ponieważ efekt jest liniowy nad małym zakresem temperatur, prosty skalowany wykaz lub dopasowanie wielomianowe przekształca bezpośrednio sygnał mikrovoltowy pomiaru w odczyt temperatury, dlatego termokolce pozostają najpopularniejszym czujnikiem temperatury induscyjnej, niezależnie od dostępnych bardziej ekscytujących alternatyw.

Efekt Peltiera: Podnoszenie temperatury za pomocą prądu

Gdzie efekt Seebecka wykorzystuje różnicę temperatur do generowania napięcia, efekt Peltiera odwrotnie przeprowadza podstawowe zasady fizyki transportu ładunków: zewnetrznie sterowany prąd obcej energii zmusza ładunki do przejścia przez granicę między dwoma nietypowymi materiałami. Ponieważ każdy materiał przenosi różną ilość energii termicznej na ładunek, ładunki muszą absorbować lub relacjonować ciepło podczas przepływu z jednego materiału do drugiego, aby zachować energetyczne równowagę. Jeśli ładunki przechodzą z materiału, w którym każdy ładunek transportuje mniej ciepła, do materiału, w którym każdy ładunek transportuje więcej ciepła, muszą absorbować dodatkową energię termiczną z otoczenia granicy, aby zaszklić różnicę, co powoduje chłodzenie granicy. Na drugiej granicy w cyklu, gdzie ładunki przechodzą w przeciwnym kierunku, nadmiar ciepła jest rzucony do otoczenia, co powoduje podwyższanie temperatury tej granicy. Ilość absorbowanej lub relacjonowanej energii termicznej na jednostkę czasu proporcjonalna jest samej wartości prądu, a nie jego kwadratu, co wyróżnia ten prawdziwy efekt podnoszenia ciepła od zwykłego cieplarnianego cieplarnianego ciepłodawstwa, które zawsze dodaje ciepło bez względu na kierunek prądu i skali się kwadratem wartości prądu. Odwrotny kierunek zastosowanych ładunków odwraca, która granica chłodzi a która grzeli, cecha wykorzystywana w praktycznych modulach Peltiera do przełączania między trybami chłodzenia i grzewania elektronicznie bez mechanicznych valvów ani kompresorów. Handlowe chłodniki Peltiera, formalnie nazywane termoelektrycznymi chłodnikami, stosują wiele par n-typowych i p-typowych nici semikonduktorowych elektrycznie w szeregach, ale termicznie w paralelu między dwoma ceramicznymi tablicami, tak że indywidualne przyczynki do podnoszenia ciepła ich dodają się do użytecznej zdolności chłodzenia na jednej tablicy, a druga musi być aktywnie chłodzona przez chłonnik ciepła lub wiatrak, aby zabrać odmówiony ciepło. Ponieważ moduły Peltiera nie mają ruchomych części, są cenione do chłodzenia diodek laserowych, czujników kamery infrareda i małych portatywnych lodówek, gdzie wiarygodność i milczenie mają większą wagę niż prosta wydajność.

Dlaczego oba efekty zawsze współistnieją

Efekty Seebecka i Peltiera nie są dwiema osobnymi fakcjami, które przypadkowo występują w podobnych urządzeniach; są to dwa wyrażenie jednego mikroskopowego procesu transportowego, a ta relacja jest precyzyjnie opisana przez relacje Kelvina, ostatecznie wynikające z zastosowania termodynamicznej logiki do nieodwracalnych procesów. Pierwsza relacja Kelvina stwierdza, że współczynnik Peltiera przekładu, który mierzy ciepło pompyto na podstawie jednostki ładunku przechodzącego przez niego, równa się temperaturze bezwzględnej pomnożonej przez różnicę współczynników Seebecka dwóch materiałów spotykających się w tym przekładzie. W praktyce oznacza to, że mierzenie siły generacji napięcia Seebecka przez dany parę materiałow pod wpływem gradientu temperatury mówi dokładnie tyle, ile silnie ta sama para materiałowa pompy ciepło, gdy przepływany jest prąd przez nią, i na odwrót, dlatego inżynierowie obliczają jedno współczynnik z drugiego, a nie mierzyciego obu nieodkrytych. Fizyczna przyczyna, dla której oba efekty muszą zawsze występuć razem, polega na tym, że wynikają one z tego samego podstawowego sprzężenia między transport ładunku a ciepła w populacji nosicieli: kiedy przenośne nosiciele ładunku mogą przewozić entropię lub energia termalna razem z ich ładunkiem elektrycznym, gradient jednego parametru, temperatury lub potencjału elektrycznego, niezwłocznie powoduje ruch w drugim. Nie można stworzyć materiału lub przekładu, który reagowałby na gradient temperatury generując napięcie bez tego samego przekładu również odpowiadając na prąd przez pompy ciepło, ponieważ oba reakty trafiają do identycznych współczynników transportowych nosicieli. Ta wzajemność jest konkretnym przykładem szerszych relacji odwrotnej Onsagera, które rządzą sprzężonymi zjawiskami transportu w całości fizyki, i oznacza to, że każdy wysiłek do zaprojektowania lepszego generatora termoelektrycznego, który opiera się na dużym efekcie Seebecka, automatycznie również projektuje lepszy chłodnik Peltiera. Dlatego poprawienie badań nad materiałami termoelektrycznymi korzysta jednocześnie z obu aplikacji, a nie wymienia jednej na drugą.

Wybór materiału, indeks wartości i granice rzeczywiste

Nie każdy przewodnik jest użytecznym materiałem termoelektrycznym, nawet jeśli efekty Seebecka i Peltiera istnieją w pewnej mierze w prawie każdym przewodniku. Dobre metale mają małe współczynniki Seebecka, ponieważ ich ogromna ilość transportujących cząsteczek oraz niemal symetryczne struktury elektroniczne wokół poziomu Fermiego sprawiają, że wpływy rozprzestrzeniania się z obu stron średniej energii niemal anulują się. Wysokiej dopedowane semikrystaleiny mogą mieć wystarczająco niską ilość transportujących cząsteczek i asymetryczną strukturę elektroniczną, co powoduje znacznie większe współczynniki Seebecka, często o sto razy większy niż typowe metale. Dlatego praktyczne generatorów termoelektrycznych i chłoników Peltiera zbudowano z materiałów semikrystalynowych, takich jak bismut tellurid, a nie z prostych par metalowych. Ogólna użyteczność materiału termoelektrycznego jest opisana przez bezwymiarowy indeks wartości, powszechnie napisany jako ZT, który łączy współczynnik Seebecka, przewodność elektryczna, przewodność ciepła i temperaturę absolutną w jednym numerze: dobry materiał termoelektryczny musi mieć duży współczynnik Seebecka i wysoką przewodność elektryczną, aby transportujące cząsteczki poruszają się łatwo i generują silne sygnały lub efekt pompowania ciepła, jednocześnie muszą mieć niską przewodność ciepła, aby ciepło nie prosto przenosiło się przez materiał poprzez zwykłe kondukcję i krótko-circuitalizowało różnicę temperatury na jaką urządzenie liczy. Te trzy wymagania są znanie trudne do spełnienia jednocześnie, ponieważ te same wolne transportujące cząsteczki, które dostarczają dobrego przewodzenia elektrycznego, zwykle również kondukują ciepło dobrze, dlatego dekadę badań nad materiałami skupiła się na nanostrukturyzacji, aliancie i ekscytujących strukturach krystalicznych, które zderzają ciepłopędzące vibracje siatki znacznie silniej niż transportujące cząsteczki. Nawet najlepsze współczesne materiały termoelektryczne przekształcają tylko modestną część różnicy temperatury na moc elektryczną w porównaniu z maszynami ciepła mechanicznego, dlatego generatorów termoelektrycznych wybierano ze względu na ich wiarygodność, kompaktość i brak ruchomych części w specjalistycznych zastosowaniach takich jak źródła mocy w przestrzeni głębokiej, a nie jako ogólna subsztata turbines.

Zastosowania codzienne i naukowe

Termocouplezy oparte na efectie Seebacka pozostają wojownikami czujników temperatury przemysłu, dokładnie dlatego, że są wytrzymałe, ekonomiczne, obejmują ogromny zakres temperatur od głębokich zimnych warunków do ponad tysiąca stopni Celsiusza, w zależności od pary materiałów wybranych, a nie wymagają źródła zewnętrznego energii do generowania sygnału. Generatory termoelektryczne wykorzystują ten sam efekt na większą skalę: generatorzy termoelektryczne radioizotopowe podnoszące naprężenie elektryczne z regularnego ciepła rozpadu izotopów radioaktywnych do elektrowni kosmicznych od lat, konwertując ciepło bezpośrednio na prąd bez części mechanicznych do uszkodzenia podczas wieloletnich misji. Podobne zasady są badane w celu wykorzystania odpadów ciepła z systemów ekspulsji pojazdów i przemysłowych procesów, które inaczej by prosto radiowali się do otoczenia. Ze strony Peltiera, termoelektryczne chłodniki stanowią precyzyjne, bez drgań systemy regulacji temperatury dla diod laserowych i detektorów infrakursu, które muszą być utrzymywane na stałe temperatura do prawidłowego działania, chłodzą czujniki obrazowe w niektórych wysokokomputerowych aparatach fotograficznych, aby zmniejszyć szum termiczny podczas długich ekspozycji, a także pojawiają się w portatylnych chłodnikach i lodownicach do vina, gdzie ciche działanie oraz brak substancji chłodzących jest cenionych nad maksymalną skutecznością chłodzenia. Elementy Peltiera również pełnią rolę wygodnych pomp termicznych dwukierunkowych w aparatach naukowych, utrzymując próbyki na dokładnie regulowaną temperaturę powyżej lub poniżej atmosferycznej poprzez proste dostosowanie prądu, a ta elastyczność nie ma równych systemom opartym na kompresorach na malutkiej skalce. Ponieważ oba efekty skali się z liczbą par połączeń, rzeczywiste urządzenia stosują wiele łącz podobnych do termocouplezów w serii, aby pomnożyć mały naprężenie per połączenie lub moc pompowania ciepła na coś praktycznie użytecznego, a te kontrole symulatora pozwalają na eksplorację tych samych podstawowych zasad pojedynczego łączka, dostosowując różnicę temperatury, aby zobaczyć jak reaguje naprężenie Seebacka, lub dostosowując prąd, aby zobaczyć rozwinąć się ciepło i chłodzenie Peltiera na przeciwległych końcach łączka.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Thermoelectric Seebeck and Peltier Effects i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.