Термоэлектрические явления представляют собой отдельную тему в физике, в которой рассматривают, как температура может порождать электричество, а последнее вести к изменению температуры. Одним из первых открытых термоэлектрических явлений стал эффект Зеебека.
Предпосылки открытия эффекта
В 1797 году итальянский физик Алессандро Вольта, проводя исследования в области электричества, открыл одно из удивительных явлений: он обнаружил, что при контакте двух твердых материалов в области контакта появляется разность потенциалов. Она получила название контактной разности. Физически этот факт означает, что зона соприкосновения разнородных материалов обладает электродвижущей силой (ЭДС), способной привести к появлению тока в замкнутой цепи. Если теперь соединить в одну цепь два материала (сформировать два контакта между ними), то на каждом из них появится указанная ЭДС, которая будет одинакова по модулю, но противоположна по знаку. Последнее объясняет, почему не возникает никакого тока.
Причиной появления ЭДС является разный уровень Ферми (энергии валентных состояний электронов) в разных материалах. При соприкосновении последних уровень Ферми выравнивается (в одном материале понижается, в другом - повышается). Этот процесс происходит за счет перехода электронов через контакт, что и приводит к появлению ЭДС.
Сразу следует отметить, что величина ЭДС является незначительной (порядка нескольких десятых вольта).
Открытие Томаса Зеебека
Томас Зеебек (немецкий физик) в 1821 году, то есть спустя 24 года после обнаружения Вольтом контактной разности потенциалов, провел следующий опыт. Он соединил пластину висмута и меди, а рядом с ними расположил магнитную стрелку. В этом случае, как выше было сказано, никакого тока не возникало. Но стоило ученому поднести пламя горелки к одному из контактов двух металлов, как магнитная стрелка начала поворачиваться.
Теперь мы знаем, что причиной ее поворота стала сила Ампера, создаваемая проводником с током, но на то время Зеебек этого не знал, поэтому он ошибочно предположил, что возникает индуцированная намагниченность металлов в результате разницы температуры.
Правильное объяснения этому явлению было дано несколько лет позже датским физиком Хансом Эрстедом, который указал, что речь идет именно о термоэлектрическом процессе, и по замкнутой цепи идет ток. Тем не менее открытый Томасом Зеебеком термоэлектрический эффект в настоящее время носит его фамилию.
Физика происходящих процессов
Еще раз для закрепления материала: суть эффекта Зеебека заключается в индуцировании электрического тока в результате поддержания различной температуры двух контактов разных материалов, которые образуют замкнутую цепь.
Чтобы понять, что происходит в указанной системе, и почему в ней начинает бежать ток, следует познакомиться с тремя явлениями:
- О первом уже было упомянуто - это возбуждение ЭДС в области контакта из-за выравнивания уровней Ферми. Энергия этого уровня в материалах изменяется при повышении или понижении температуры. Последний факт приведет к появлению тока, если замкнуть два контакта в цепь (условия равновесия в зоне соприкосновения металлов при разных температурах будут разными).
- Процесс перемещения носителей заряда из горячих областей в холодные. Этот эффект можно понять, если вспомнить, что электроны в металлах и электроны и дырки в полупроводниках в первом приближении можно считать идеальным газом. Как известно, последний при нагревании в замкнутом объеме увеличивает давление. Иными словами, в зоне контакта, где температура выше, "давление" электронного (дырочного) газа тоже выше, поэтому носители заряда стремятся уйти в более холодные области материала, то есть к другому контакту.
- Наконец, еще одно явление, которое приводит к появлению тока в эффекте Зеебека, это взаимодействие фононов (решеточных колебаний) с носителями заряда. Ситуация выглядит таким образом, будто фонон, двигаясь от горячего спая к холодному, "ударяет" об электрон (дырку) и сообщает ему дополнительную энергию.
Отмеченные три процесса в итоге определяют возникновение тока в описанной системе.
Как описывают это термоэлектрическое явление?
Очень просто, для этого вводят некий параметр S, который получил название коэффициента Зеебека. Параметр показывает, ЭДС величины индуцируется, если поддерживается разность температур контактов равная 1 Кельвину (градусу Цельсия). То есть можно записать:
S = ΔV/ΔT.
Здесь ΔV - ЭДС цепи (напряжение), ΔT - разность температур горячего и холодного спаев (зон контакта). Эта формула является лишь приближенно верной, поскольку S в общем случае зависит от температуры.
Значения коэффициента Зеебека зависят от природы материалов, вступивших в контакт. Тем не менее однозначно можно сказать, что для металлических материалов эти значения равны единицам и десяткам мкВ/К, в то время как для полупроводников они составляют сотни мкВ/К, то есть полупроводники обладают на порядок большей термоэлектрической силой, чем металлы. Причиной этого факта является более сильная зависимость характеристик полупроводников от температуры (проводимость, концентрация носителей заряда).
КПД процесса
Удивительный факт перевода теплоты в электричество открывает большие возможности для применения этого явления. Тем не менее для его технологического использования важна не только сама идея, но и количественные характеристики. Во-первых, как было показано, возникающая ЭДС является достаточно маленькой. Эту проблему можно обойти, если использовать последовательное соединение большого числа проводников (что и делается в ячейке Пельтье, речь о которой пойдет ниже).
Во-вторых, это вопрос эффективности генерации термоэлектричества. И этот вопрос остается открытым по сей день. КПД эффекта Зеебека является чрезвычайно низким (порядка 10 %). То есть из всего затраченного тепла лишь одну десятую его можно будет использовать для совершения полезной работы. Многие лаборатории во всем мире стараются поднять этот КПД, что можно сделать, разработав материалы нового поколения, например, с помощью нанотехнологий.
Использование эффекта, открытого Зеебеком
Несмотря на низкий КПД, он все же находит свое применение. Ниже перечислим основные из областей:
- Термопара. Эффект Зеебека с успехом используют для измерения температур разных объектов. По сути, система из двух контактов - это и есть термопара. Если известен ее коэффициент S и температура одного из концов, то, измеряя напряжение, которое возникает в цепи, можно вычислить температуру другого конца. Термопары также применяют для измерения плотности лучистой (электромагнитной) энергии.
- Генерация электричества на космических зондах. Запускаемые человеком зонды для исследования нашей Солнечной системы или космоса за ее пределами используют эффект Зеебека для питания электроники, находящейся на их борту. Осуществляется это благодаря радиационному термоэлектрическому генератору.
- Применение эффекта Зеебека в современных автомобилях. Компании BMW и Volkswagen заявили о появлении в их автомобилях термоэлектрических генераторов, которые будут использовать тепло газов, выбрасываемых из выхлопной трубы.
Другие термоэлектрические эффекты
Существуют три термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье, Томсона. Суть первого уже была рассмотрена. Что касается эффекта Пельтье, то он заключается в нагревании одного контакта и охлаждении другого, если рассмотренную выше цепь подсоединить к внешнему источнику тока. То есть эффекты Зеебека и Пельтье являются противоположными.
Эффект Томсона имеет ту же природу, однако он рассматривается на одном материале. Его суть состоит в выделении или поглощении тепла проводником, по которому течет ток и концы которого поддерживаются при разных температурах.
Ячейка Пельтье
Когда говорят о петентах на термо генераторные модули с эффектом Зеебека, то, конечно же, первым делом вспоминают про ячейку Пельтье. Она представляет собой компактное устройство (4x4x0,4 см), изготовленное из ряда последовательно соединенных проводников n- и p-типа. Изготовить ее можно своими руками. Эффекты Зеебека и Пельтье лежат в основе ее работы. Напряжения и токи, с которыми она работает, невелики (3-5 В и 0,5 A). Как было сказано выше, КПД ее работы очень маленький (≈10 %).
Применяется она для решения таких бытовых задач, как нагрев или охлаждение воды в кружке или подзарядка мобильного телефона.
