термоэлектрические материалы

Оглавление

1.                 Введение……………………………………………………………………………...3

2.                 История открытия термоэлектрических явлений. Понятие термоэлектричества………………………………………………………………………...4

3.                 Понятие термоэлектрического генератора. Его функциональная схема ………………………………………………………………………………………………..6

4.                 Эффект Зеебека………………………………………………………………………7

5.                 Эффект Пельтье……………………………………………………………………...9

6.                 Эффект Томсона……………………………………………………………………10

7.                 Классификация термоэлектрических материалов………………………………..11

8.                 Требования, которым должны удовлетворять термоэлектрические материалы……………………………………………………………………….................12

9.                 Заключение…………………………………………………………………………13

10.             Список использованной литературы……………………………………………...14

Введение

Для написания реферата по предмету «Перспективные методы получения и преобразования энергии» я взяла тему о физико-технических осно­вах термоэлектрического преобразования энергии и основных соотношениях для термоэлектрической батареи, так как данная тема термоэлектричества как источника энергии в связи с энергетическим кризисом и проблемой  рационального использования ресурсов  чрезвычайно актуальна. Например, даже частичная утилизация тепла с помощью термоэлектрических преобразователей могла бы перекрыть общую мощность всех атомных электростанций.

История открытия термоэлектрических явлений особенно для меня познавательна и увлекательна. В своем реферате я вкратце изложу этапы возникновения, становления и развития термоэлектричества в хронологическом порядке. Также я преследовала цель, насколько возможно глубже усвоить материал, ознакомиться более подробно с термоэлектрическим генератором, эффектами, благодаря которым происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, видами основных термоэлектрических материалов и рядом требований, которым должны данные материалы удовлетворять.

История открытия термоэлектрических явлений. Понятие термоэлектричества

История открытия рассматриваемых мной явлений насчитывает уже более 180 лет. Практическое использование они получили только в середине XX века. Начало положил немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (в настоящее время г. Таллин), Томас Иоганн Зеебек (1770-1831). В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. Зеебек обнаружил, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи этой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнита. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи. В физике данное явление известно, как эффект Зеебека.

Интересно отметить, что двумя годами ранее в 1820 году Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) доказал влияние электрического тока на магнитную стрелку, но Зеебек категорически отрицал электрическую природу данного явления. Как видно из названия статьи, его объяснение сводилось к намагничиванию материалов под воздействием разности температур. Интересно, что по его гипотезе весь земной шар представлял собой подобие гигантской цепи, в которой разница температур поддерживается полюсами холода и высокотемпературной экваториальной частью планеты.

Первым, кто употребил термин  «термоэлектрическое явление» был Х. Эрстед. Однако, сам Зеебек настаивал на другой формулировке – «термомагнетизм».

Через 12 лет после открытия Зеебека был открыт эффект Пельтье, который является обратным эффекту Зеебека. Суть состоит в том, что при прохождении тока на границах дух разных проводников происходит на одном конце поглощение тепла, а на другом его выделение. Открыл это явление французский физик, метеоролог Жан Шарль Атаназ Пельтье (1785-1845). Как и Зеебек, Пельтье не смог правильно интерпретировать результаты своего исследования. По его убеждению полученные результаты служили иллюстрацией того, что при пропускании через цепь слабых токов универсальный закон Джоуля - Ленца о выделении тепла протекающим током не работает.

Только в 1838 г. петербургский академик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) доказал, что эффект Пельтье является самостоятельным физическим явлением, заключающимся в выделении и поглощении на спаях цепи добавочного тепла при прохождении постоянного тока. При этом характер процесса (поглощение или выделение) зависит от направления тока.

Двадцать лет спустя Уильям Томсон дал исчерпывающее объяснение эффектам Зеебека и Пельтье и взаимосвязи между ними. Полученные Томсоном термодинамические соотношения позволили ему предсказать третий термоэлектрический эффект, названный впоследствии его именем. Эффект Томсона заключается в переносе теплоты током, протекающим через однородный материал, в котором создан градиент температуры. Количество переносимой теплоты пропорционально величине этого градиента и силе протекающего тока.

Данные открытия положили основу развития самостоятельной области техники - термоэнергетики, которая занимается как вопросами прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, так и вопросами термоэлектрического охлаждения  и нагрева.

Итак, термоэлектрические явления - совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Термоэлектричеством называется явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током.

Понятие термоэлектрического генератора. Его функциональная схема

Рисунок 1 – функциональная схема термоэлектрического генератора: 1 - термоэлектрические батареи; 2 – система подвода тепла; 3 – система отвода тепла[1]

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Они используются в передвижных АЭУ, питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах.

На рисунке 1 изображена функциональная схема термоэлектрического генератора, как мы видим, он состоит из  термоэлектрической батареи (1), системы подвода тепла (2) и системы отвода тепла (3).

Конструкция и тип систем подвода и отвода тепла выбирают в зависимости от назначения термоэлектрического генератора и условий его эксплуатации.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Рисунок 2 – Термоэлектрический эффект Зеебека[2]

Согласно рисунку 2 разность температур в соединениях проводников A и B вызывает появление тока в замкнутой цепи. Направление тока зависит от того, для какого из проводников удельная термоЭДС больше по абсолютной величине. Сила тока зависит от разности температур (Tгор-Tхол), удельных термоЭДС обоих проводников и от их удельных сопротивлений.

Рисунок 3 – Термоэлемент (термопара)[3]

Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой (рисунок 3). При разных температурах спаев двух проводников A и B возникает напряжение на концах разомкнутой цепи - термоЭДС термопары Е.

, где a – коэффициент термоЭДС или коэффициент Зеебека

Причина возникновения термоЭДС состоит в том, что средняя энергия носителей заряда (а в полупроводниках и их концентрация) с ростом температуры увеличивается. Таким образом, если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. Вследствие этого возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем - положительный заряд. Перераспределение зарядов приводит к возникновению электрического поля, которое компенсирует поток носителей тока.

Эффект Пельтье

Протекание тока в неоднородной или анизотропной среде может вызвать кроме выделения тепла Джоуля дополнительное выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. Впервые такие дополнительные теплоты наблюдались на спаях разнородных материалов. Данное явление называется эффектом Пельтье.

 где Q_P – тепло Пельтье, K_P – коэффициент Пельтье, Т – температура контакта; a – коэффициенты термоЭДС проводников А и В.

Рисунок 4 – Электротермический эффект Пельтье (обратен эффекту Зеебека)[4]

Эффект Пельтье объясняется тем, что средняя энергия носителей тока (электронов) зависит от их распределения по энергии, концентрации и механизмов 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 счет энергии атомов. В первом случае вблизи контакта выделяется тепло Пельтье, а во втором случае оно поглощается.

Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла в объеме неизотермичной проводящей среды, через которую протекает электрический ток. Эффект (тепло Томсона) является следствием неизотермичности среды.

Рисунок 5 – Электротермический эффект Томсона[5]

На рисунке 5 наглядно показано, что при пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке, один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается - это зависит от направления тока в цепи. При движении электронов от холодного конца к горячему они ускоряются полем термоЭДС и пополняют свою энергию за счет энергии окружающих атомов. В этом случае тепло Томсона поглощается.

Классификация термоэлектрических материалов

В настоящее время исследовано большое количество термоэлектрических материалов, перспективных для практического использования. Самой главной целью данных  исследований был поиск материалов, способных обеспечить максимальный коэффициент полезного действия термоэлектрических преобразователей в широком диапазоне температур. По результатам этих исследований можно выделить три основные группы термоэлектрических материалов, применяемых на практике (таблица 1). Для низких температур наиболее эффективными оказались сплавы на основе Bi₂Te₃ и BiSb, для среднетемпературного диапазона – PbSb, PbTe, GeTe, AgSb Te₂, SnTe, для высоких температур - SiGe.

                                      Основные термоэлектрические материалы                  Таблица 1 [6]

Низкотемпературные материалы		Среднетемпературные материалы		Высокотемпературные материалы
T < 600K		600 K		700 K< T <1200K
Bi2Te3, Bi-Sb		PbSb, PbTe, GeTe, AgSb Te2, SnTe		Si-Ge
p-тип	n-тип	p-тип	n-тип	p-тип	n-тип
Sn, Sb, Pb, Ge, As	Bi, Te, B, Bi2Te3, CuI, AgI, CuBr	Na, Li, Ti, Ag,	Br, I, Cl, Pb, Pt,  Ni, Ga, Nb, Cu, Zn, Al,Ta	B, Al, Ga, In,	P, As, Sb, Bi, Ga, B

Требования, которым должны удовлетворять термоэлектрические материалы:

1.                 обладать высокой механической прочностью;

2.                 не окисляться под воздействием внешней атмосферы;

3.                 не сублимировать и не разлагаться при рабочих температурах;

4.                 легко обрабатываться;

5.                 иметь высокие значения термоэлектрической добротности в широком интервале температур.

Самое важное требование – последнее, обеспечение высоких значений термоэлектрической добротности, которая определяет эффективность преобразования тепловой энергии в энергию электрическую. Комплексным параметром, характеризующим качество термоэлектрического материала, является его добротность Z(T)

,

где a(T) - коэффициент термоЭДС, c(T) - коэффициент теплопроводности и r(T) - удельное электрическое сопротивление термоэлектрического материала.

Условием получения максимума эффективности термоэлектрического преобразователя является обеспечение оптимальной добротности термоэлектрического материала. Причем необходима совместная оптимизация характеристик термоэлектрических материалов p- и n- типов проводимости. При использовании термоэлементов из металлов или металлических сплавов трудно получить высокие значения добротности, так как их коэффициент термоЭДС мал, а существенного уменьшения коэффициента теплопроводности и электрического сопротивления получить невозможно.

Применение полупроводниковых материалов позволяет в большей степени управлять термоэлектрическими характеристиками материалов и реализовать условия, при которых их соотношения приводят к достижению максимальной добротности.

Заключение

Подведем итоги проведенного исследования:

1.                 Термоэлектрический генератор (ТЭГ) - устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием полупроводниковых термоэлементов, соединённых между собой последовательно или параллельно;

2.                 Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона;

3.                 Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах;

4.                 Эффект Пельтье - выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух проводников из разнородных материалов;

5.                 Эффект Томсона - выделение или поглощение тепла в объеме неизотермичной проводящей среды, через которую протекает электрический ток;

6.                 Существуют три основные группы термоэлектрических материалов: для низких температур наиболее эффективными являются сплавы на основе Bi₂Te₃ и BiSb, для средних температур – PbSb, PbTe, GeTe, AgSb Te₂, SnTe, для высоких  – SiGe;

7.                 Самым главным требованием к термоэлектрическим материалам является обеспечение высоких значений термоэлектрической добротности.

Список использованной литературы

1.                 Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлек­трические устройства. Справочник. Киев, изд-во «Наукова думка», 1979

2.                 Мелета Е.А., Ярыгин В.И., Ионкин В.И. Об­зор прошлых и настоящих разработок в области термоэлектрических генераторов. Часть 1 - Основы физики и техники термо­электрических устройств для преобразования тепловой энергии в электрическую. - Учеб­ное пособие по курсу «Перспективные методы получения и преобразования энергии». ОГТУАЭ (ИАТЭ), Обнинск, 2007

3.                 http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6552

4.                 http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/57040/термоэлектрический

---