Термоелектричний ефект Зеебека та П’єльстера

Ефект Зеебека: Перетворення Різниці Температур на Напругу

Коли один кінець провідника або напівпровідникового матеріалу нагрівається, а інший залишається холодним, вільні переносники заряду поблизу гарячого кінця отримують додаткову теплову енергію і, в середньому, дифундують у холодний кінець швидше, ніж холодні переносники дифундують у гарячий. У металі або n-типовому напівпровіднику домінують негативні електрони, тому цей процес накопичує негативний заряд на холодному кінці та створює внутрішнє електричне поле, яке протидіє подальшому дифундуванню, поки не досягнуто рівноваги. У p-типовому напівпровіднику домінують позитивні дірки, тому полярність отриманої напруги є інвертованою. Розмір цієї напруги відкритого кола, поділений на різницю температур, що її створила, називається коефіцієнтом Зеебека (S), зазвичай позначений символом і вимірюваний мікровольтами на кельвін. Це властивість конкретного матеріалу, а не з’єднання само по собі. Одиновий провідник створює це внутрішнє поле, але його неможливо безпосередньо виміряти мультиметром із проводами з того ж матеріалу, оскільки власні проводи мультиметра генеруватимуть рівно протилежну напругу. Саме тому практичні термопари завжди використовують два різних матеріали: на гарячому з’єднанні два матеріали генерують різні внутрішні напруги через різний коефіцієнт Зеебека, і ця різниця зберігається навіть після того, як обидва члени об'єднуються в замкнутий ланцюг та підводяться до холодного опорного з’єднання, створюючи вимірювану напругу, пропорційну різниці температур між двома з’єднаннями. Типові пари термопар включають хромель-алюмель (Тип K) і мідь-константан (Тип T), обрані тому, що їх коефіцієнти Зеебека суттєво відрізняються та залишаються стабільними та повторюваними в широкому діапазоні температур. Оскільки ефект лінійний у помірних діапазонах температур, просте каліброване вишукування або поліноміальна відповідь перетворюють виміряний мікровольтний сигнал безпосередньо на показник температури, що пояснює, чому термо пари залишаються найпоширенішим промисловим датчиком температури незважаючи на наявність більш екзотичних альтернатив.

Ефект Пельтье: Нагрів або охолодження за допомогою струму

Де ефект Зеебека використовує різницю температур для генерування напруги, ефект Пельтьє здійснює зворотну фізику переносника носіїв заряду: зовнішньо поданий електричний струм змушує переносники заряду проходити через з’єднання між двома відмінними матеріалами, і оскільки кожен матеріал несе різну кількість теплової енергії на переносник заряду, переносники повинні поглинати або виділяти тепло під час переходу з одного матеріалу в інший, щоб зберегти енергію. Якщо носії рухаються з матеріалу, де кожен переносник транспортує менше тепла, у матеріал, де кожен переносник транспортує більше тепла, вони повинні поглинути додаткову теплову енергію від оточення з’єднання, щоб компенсувати різницю, тому що це з’єднання охолоджується. На іншому з’єднанні в ланцюгу, де носії рухаються в протилежному напрямку, надлишок тепла скидається в навколишнє середовище, тому що це з’єднання нагрівається. Кількість поглинутого або виділеного тепла за одиницю часу пропорційна величині прикладеного струму, а не його квадрату, що відрізняє цей справжній ефект перекачування тепла від звичайного нагріву завдяки опору, який завжди додає тепло незалежно від напрямку струму і масштабується з квадратом струму. Перевертаючи напрямок прикладеного струму, ви також змінюєте, яке з’єднання охолоджується, а яке нагрівається, що використовується в комерційних модулях Пельтьє для перемикання між режимами охолодження та нагріву електронним способом без механічних клапанів або компресорів. Комерційні термоелектричні охолоджувачі складають багато пар німезис- і пізмонезіс-типів напівпровідникових ніжок електрично послідовно, але теплово за паралел між двома цирконієвими пластинами, щоб їх окремі внески в перекачування тепла додавалися до корисної міцності охолодження, тоді як іншу пластину активно охолоджують радіатором або вентилятором для відведення відкинутого тепла. Оскільки модулі Пельтьє не мають рухомих частин, вони цінуються за охолодження лазерних діодів, сенсорів інфрачервоної камери та невеликих переносних холодильників, де надійність і тиша важливіші за питому ефективність.

Чому ці два ефекти завжди співіснують

Ефект Зеебека та ефект П’єльстера – це не дві окремі події, що випадково виникають у схожих пристроях; вони є двома проявами одного мікроскопічного процесу транспорту, і цей зв’язок суворо фіксується рівняннями Кельвіна, отриманими з термодинамічних міркувань, застосованих до незворотних процесів. Перше рівняння Кельвіна стверджує, що П’єльбецовий коефіцієнт з’єднання, який вимірює тепло, яке перекачується на одиницю заряду, що проходить через нього, дорівнює абсолютному значенню температури, помноженому на різницю у коефіцієнтах Зеебека двох матеріалів, які зустрічаються на цьому з’єднанні. У практичному сенсі це означає, що вимірювання того, наскільки сильно певна пара матеріалів генерує силу Зеебека під дією температурного градієнту, точно повідомляє нам, наскільки сильно ця сама пара буде перекачувати тепло, коли через неї пропускається струм, і навпаки, тому інженери звичайним чином обчислюють один коефіцієнт з іншого, а не вимірюють обидва незалежно. Фізична причина того, що обидва ефекти повинні з’являтися разом, полягає в тому, що вони випливають із одного основного зв’язку між транспортом заряду та транспортом тепла всередині носія: коли мобільні носії заряду можуть переносити ентропію або теплову енергію разом із власним електричним зарядом, градієнт в одній величині, температурі або електричному потенціалі, обов’язково призводить до потоку іншої. Немає способу побудувати матеріал або з’єднання, яке реагує на температурний градієнт, генеруючи напругу, без того ж самого з’єднання, яке також реагує на струм, перекачуючи тепло, оскільки обидва відповіді ведуть до одного й того ж коефіцієнта транспорту носіїв: ця взаємність є конкретним прикладом більш широких відношень Онсагера, які регулюють закопчені явища транспорту в усій фізиці, і це означає, що будь-яка спроба інженеріювати кращий термоелектричний генератор, який покладається на великий ефект Зеебека, автоматично також інженеріює краще охолоджувальне пристрої П’єльстера, і таким чином дослідження матеріалів термоелектронів вигідно як для одного, так і для іншого застосування одночасно, а не обмінюються один на одного.

Вибір матеріалу, показник ефективності та реальні обмеження

Не кожен провідник є корисним термоелектричним матеріалом, хоча ефекти Зеебека та П’єльстера існують в усіх провідниках до певної міри. Добре металі мають невеликий коефіцієнт Зеебека, оскільки їх надзвичайно висока щільність носіїв заряду та майже симетрична електронна структура навколо рівня Фермі призводять до того, що внески від носіїв зарядів з обох боків від середньої енергії значною мірою компенсуються. Важколеговані напівпровідники, навпаки, можуть мати щільність носіїв заряду та електронну структуру, достатньо асиметричні, щоб виробляти набагато більші коефіцієнти Зеебека – часто в сто разів більше, ніж у звичайних металів, що пояснює, чому практичні термоелектричні генератори та охолоджувачі П’єльстера будуються з напівпровідникових матеріалів, таких як бісміту теллурид, а не з простих пар металів. Загальна корисність термоелектричного матеріалу відображається безрозмірним показником ефективності, який зазвичай позначається як ZT, що об’єднує коефіцієнт Зеебека, електропровідність, теплопровідність та абсолютну температуру в одне число: хороший термоелектричний матеріал потребує великого коефіцієнта Зеебека та високої електропровідності, щоб носії заряду легко рухалися і генерували сильний сигнал або ефект теплопереносу, а також низької теплопровідності, щоб тепло не просто витікало через матеріал звичайним шляхом, обходячи температурну різницю, на яку покладається пристрій. Ці три вимоги відомі своєю складністю, оскільки одна й та сама щільність носіїв заряду, що забезпечує хорошу електропровідність, зазвичай добре проводить і тепло, тому десятиліттями досліджень матеріалів було зосереджено на наноструктурованості, легуванні та екзотичних кристалічних структурах, які більш сильно розсіюють коливання решітки, що переносять тепло, ніж вони розсіюють носії заряду. Навіть найкращі сучасні термоелектричні матеріали перетворюють лише скромну частку температурної різниці на електричну енергію порівняно з механічними тепловими двигунами, тому термоелектричні генератори обираються за їх надійність, компактність і відсутність рухомих частин у нішевих застосуваннях, таких як джерела живлення в глибини космосу, а не як загальну заміну турбінам.

Вимова та практичне застосування

Термоелектричні елементи на основі ефекту Зеебека залишаються незамінними датчиками температури в промисловості, оскільки вони міцні, недорогі, охоплюють величезний діапазон температур від криогенних умов до більш ніж тисячі градусів Цельсія (залежно від обраної пари матеріалів) і не потребують зовнішнього джерела живлення для генерування сигналу. Термоелектричні генератори використовують той самий ефект на більшому рівні: радіоізотопні термоелектричні генератори протягом десятиліть живлять космічні зонди, перетворюючи стабільне тепло від радіоактивного розпаду безпосередньо в електрику, не маючи рухомих частин, які могли б зношуватися протягом багатодесятирічної місії, а подібні принципи досліджуються для уловлювання тепла від вихлопних газів транспортних засобів і промислових процесів, яке в іншому випадку просто розсіювалося б. З боку П’єльстера твердотільні термоелектричні охолоджувачі забезпечують точне, вібраційне безперешкодне регулювання температури для лазерних діодів і інфрачервоних детектораів, які необхідно підтримувати на стабільній температурі для правильної роботи, охолоджують сенсори зображення деяких високоякісних камер, щоб зменшити термічний шум під час тривалих викладків, а також з’являються в переносних холодильниках і виноградниках, де цінується тиха робота та відсутність хімічних речовин-регірантів, а не максимальна ефективність охолодження. Елементи П’єльстера також використовуються як зручні бідирекційні теплопомпи в наукових приладах, підтримуючи зразки на точно контрольованій температурі або вище або нижче навколишньої за допомогою простого регулювання струму, гнучкість, яку не можуть повторити системи на основі компресора на малій місткості. Оскільки обидва ефекти масштабуються з кількістю пар контактів, справжні пристрої складають багато контактів, подібних до термоелектричних елементів, у серії, щоб помножити невелику напругу або потужність теплопередачі на контакт на практично корисне значення, і контролі цього симулятора дозволяють вам досліджувати той самий основний принцип одноконтактної фізики, регулюючи різницю температур, щоб побачити, як реагує напруга Зеебека, або регулюючи поданий струм, щоб побачити, як розвивається нагрівання та охолодження в протилежних кінцях контакту.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Thermoelectric Seebeck and Peltier Effects і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.