Термоэлектрические преобразователи

И

Рисунок 7.17—Вольт-амперная характеристика для позистора

В основе работы термоэлектрических преобразователей лежат два явления: прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Указанные явления вызывают три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов.

Термоэлектрический эффект Зеебека.

В 1821г. Т.Зеебек обнаружил, что, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре, в этой цепи возникает электрический ток (рис. 7.18).

Рисунок 7.18—Термоэлектрический эффект Зеебека

Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи Ԑ _AB (Т ₁ Т₂), зависящее от температур Т ₁ и Т ₂ спаев (рис. 7.19), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Знак термо-ЭДС зависит от того, для какого из проводников больше по абсолютной величине удельная термо-ЭДС.

Рисунок 7.19—Измерение термо-ЭДС

В небольшом интервале температур величину термо-ЭДС пропорциональной разности температур и коэффициенту Зеебека:

Ԑ

можно считать

£ = а(T₂ - T₁), (7.23)

где Т₂ - температура «горячего» контакта; Т₁ - температура «холодного» контакта; α - коэффициент удельной термо-ЭДС (коэффициент Зеебека), который зависит в первую очередь от свойств материала, а также от температуры.

Электротермический эффект Пельтье. В 1834 Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. А в 1838 Э.Х.Ленц показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном - охлаждается.

Рисунок 7.20—Электротемический эффект Пельтье В этом случае при пропускании тока по цепи (рис. 7.20),, составленной из проводников A и B, один спай нагревается, а другой - охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается - это зависит от направления тока в цепи. Количество выделяющегося тепла 0_П, пропорциональное прошедшему через контакт току

Q_П = nIt, (7.24)

где t - время; I - сила тока; П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в том, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, зависит от зонной структуры материала, концентрации электронов и механизма их рассеяния, и поэтому в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счѐт (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором — поглощается теплота Пельтье.

У. Томсон (Кельвин) вывел термодинамическое соотношение между коэффициентом Пельтье (П) и Зеебека (α):

П=аT, (7.25)

где Т ─ абсолютная температура, и предсказал существование третьего термоэлектрического явления ─ Томсона эффекта. Оно заключается в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, существует перепад температур, то в дополнение к джоулевой теплоте в объеме проводника выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла Q _T, пропорциональное силе тока I, времени t, перепаду температур (Т ₂ - Т1) и коэффициенту Томсона η, зависящему от природы материала:

Q_T =т(T₂-T1) It. (7.26)

Дата добавления: 2014-12-08