Термоэлектрические материалы

Термоэлектрическими материалами называются такие материалы, в которых проявляется совокупность термоэлектрических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами. К этим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Материалы с эффектом Зеебека

Эффект Зеебека заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах (данное явление открыто в 1821 г. немецким физиком Т.И. Зеебеком).

Проявление эффекта Зеебека поясняется на рис. 1. В электрической цепи, составленной из разных проводников М1 и М2, возникает термо-ЭДС, если места контактов А и B поддерживаются при разных температурах. Если же цепь замкнута, то в ней течет термоиндуцированный электрический ток (термоток) I_T, причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока.

Цепь, составленная из двух разных проводников М1 и М2, называется термоэлементом, а ее ветви – термоэлектродами. Величина термо-ЭДС зависит от абсолютных значений температур спаев T_A и T_B, разности этих температур ∆T и от природы материалов, составляющих термоэлемент.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС E_Т можно считать пропорциональной разности температур:

E_Т = α_АВ(T_A – T_B),

где α_АВ – термоэлектрическая способность (коэффициент термоЭДС).

Эффект Зеебека обусловлен следующими причинами:

• преимущественной диффузией носителей тока в проводнике от нагретого конца к холодному (объемная составляющая термоЭДС);
• зависимостью контактной разности потенциалов от температуры, связанной с зависимостью химического потенциала от температуры (контактная составляющая термо-ЭДС);
• увлечение электронов фононами (квантами поля колебаний кристаллической решетки), которые преимущественно перемещаются от нагретого конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают преимущественное перемещение их в том же направлении (фононная составляющая термо-ЭДС).

Рис. 1. Схема возникновения термоиндуцированного электрического тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Так как в электрических схемах обычно имеются контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникает термо-ЭДС, которую необходимо учитывать при точных измерениях.

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека являются термопары, которые представляют собой термочувствительные элементы в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух разнородных металлических проводников, соединенных пайкой или сваркой. В сочетании с электроизмерительными приборами она образует термоэлектрический термометр. Существуют две схемы включения термопары в измерительную цепь: 1) измерительный прибор подключается с помощью соединительных проводов в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 2, а) или 2) измерительный прибор подключается к концам двух термоэлектродов (рис. 2, б).

Диапазон температур, измеряемых с помощью термопар, весьма широк: от температуры жидких газов до температуры в доменных печах. Точность измерения температуры с помощью термопар может доходить до сотых долей градуса.

Для изготовления термоэлектродов используются следующие пары металлов или сплавов (для разных температурных областей): золото – медь, медь – константан, хромель – копель, хромель – алюмель, платинородий – платина, вольфрам – рений.

С помощью эффекта Зеебека, кроме температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: электрического тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д.

Рис. 2. Схемы включения термопары в измерительную цепь с подключением измерительного прибора в разрыв одного из термоэлектродов (а) и к концам двух термоэлектродов (б): 1 – измерительный прибор; 2 – соединительные провода; М1, М2 – термоэлектроды; Т_А, Т_В – температуры соответственно «горячего» и «холодного» контактов термопары

Для повышения чувствительности термопары соединяют последовательно в термобатареи. При этом все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные – при другой. ТермоЭДС такой батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных элементов.

Термобатареи могут играть роль термоэлектрогенераторов, для создания которых обычно используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Основная область применения термоэлектрогенераторов – маломощные автономные источники электроэнергии.

На рис. 3 показана типичная конструкция термоэлектрогенератора, установленного на тепловой трубе, по которой может проходить, например, добываемая нефть или природный газ, топочные или выхлопные газы.

Рис. 3. Термоэлектрогенератор на тепловой трубе

Рис. 4. Автомобиль с интегрированным в выхлопную систему термоэлектрогенератором

Термоэлектрогенераторы находят применение в транспортных средствах, работающих на двигателях внутреннего сгорания. Такие двигатели весьма неэффективно используют энергию (потребляют только 20–25 % энергии, произведенной в результате сгорания топлива). Чтобы улучшить КПД двигателя по топливу, можно с помощью термоэлементов преобразовывать тепловую энергию от двигателя в электрическую энергию, а затем использовать её для питания различных устройств, расположенных транспортных средствах (рис. 4).

Термоэлектрогенераторы также применяются в системах преобразования солнечной энергии. При этом увеличение плотности теплового потока, проходящего через каждый термоэлемент, осуществляют с помощью гелиоконцентраторов, выполненных в виде системы зеркал или линз, собирающих (фокусирующих) солнечные лучи, либо с помощью теплопроводящих пластин.

Солнечные термоэлектрогенераторы перспективны для применения в качестве источников электропитания в установках для подъёма грунтовых вод в сельском хозяйстве, в устройствах навигации и связи, в космических аппаратах и т.д.

Материалы с эффектом Пельтье

Эффект Пельтье заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока в месте контакта двух разнородных проводников (данное явление открыто в 1834 г. французским физиком Ж. Пельтье). Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека.

Теплота Пельтье Q_П пропорциональна силе протекающего тока I

времени прохождения тока t:

Qп = ПIt,

где П – коэффициент Пельтье (зависит от природы материалов, образующих контакт).

Причина возникновения эффекта Пельтье связана с наличием контактной разности потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. При этом в одном из контактов электроны, движущиеся под действием внешнего электрического поля, тормозятся контактным полем. Их кинетическая энергия уменьшается и, соответственно, спай охлаждается. Другой спай, наоборот, нагревается, так как в нем протекают противоположные процессы. Таким образом, знак теплоты Пельтье зависит от направления протекающего тока.

Эффект Пельтье лежит в основе действия преобразователей, называемых элементами Пельтье. На практике такие элементы обычно изготавливают из полупроводников, поскольку при контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что почти незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Достоинством элементов Пельтье являются небольшие размеры и простота конструкции.

Рис. 5. Кулер с элементом Пельтье для процессора

Эффект Пельтье лежит в основе действия преобразователей, называемых элементами Пельтье. На практике такие элементы обычно изготавливают из полупроводников, поскольку при контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что почти незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Достоинством элементов Пельтье являются небольшие размеры и простота конструкции.

Элементы Пельтье широко используются для создания маломощных холодильников, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, например, маленьких автомобильных холодильников, поскольку применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров. Также элементы Пельтье используются для охлаждения процессоров (рис. 5), кондиционеров, устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, приёмников излучения в инфракрасных сенсорах, для термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

Элементы Пельтье могут служить для отопления помещений: теплый спай помещается внутри помещения, охлаждающийся – снаружи (летом следует поменять направление тока, и помещение будет охлаждаться).

Материалы с эффектом Томсона

Эффект Томсона заключается в выделении или поглощении теплоты в однородном неравномерно нагретом проводнике током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля – Ленца (данное явление открыто английским физиком У. Томсоном (Кельвином) в 1856 г.).

Теплота Томсона Q_Т пропорциональна силе тока I, времени прохождения тока t и перепаду температур (Т₁ – Т₂):

Q_т = (Т₁ – Т₂)It,

где П – коэффициент Пельтье (зависит от природы материала).

В более нагретой части проводника тепловые скорости электронов выше, поэтому их диффузия к холодной части больше, чем в обратном направлении. Соответственно энергия в нагретой части больше. Если ток течет в направлении возрастания температуры, то электроны переносят в холодную часть дополнительную энергию, выделяющуюся в виде дополнительного тепла и наоборот.

Эффект Томсона до сих пор не нашел технического применения, однако его следует учитывать в точных расчетах термоэлектрических устройств; кроме того, его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.