Эффект Зеебека – это процесс появления разницы потенциалов между соединением двух различных материалов вследствие нагрева заданной области. Этот эффект был получен Зеебеком в 1822 году. Именно тогда он провел эксперимент по нагреванию контакта двух материалов, используя висмут и сурьму.
Для регистрации полученных изменений использовался гальванометр. Держа соединение соединенных материалов, он увидел, что магнитная стрелка отклонилась от своего первоначального положения. Естественно, разница была не так заметна. Однако эксперименты повторялись снова и снова, благодаря чему удалось получить желаемый результат.
Этот эффект появился благодаря появлению электрической движущей силы в замкнутом контуре, выполненном из различных материалов. Чуть позже выяснилось, что перепад температур вызван появлением термосилы. И уже следствием тепловой ЭДС в замкнутом контуре является электрический ток. Сегодня этот эффект используется во многих областях. Но его наибольшее применение в современном мире можно отчетливо увидеть в термопарах.
Как Работает Эффект Зеебека?
Эффект Зеебека заключается в создании термопары, состоящей из двух разнородных металлов, образующих замкнутый контур друг с другом. Металлы отличаются друг от друга различными коэффициентами Зеебека, в результате чего возникает напряжение между нагретым проводником термопары и ненагретым проводником. Это напряжение прямо пропорционально разности их температурных значений.
Многие термоэлектрические приборы используют эффект Зеебека. В большинстве случаев в состав термоэлектрических генераторов входят тепловые батареи, которые набираются из полупроводниковых тепловых элементов. Они могут быть соединены параллельно или последовательно. Он также включает в себя теплообменники для нагретых и негретых соединений тепловых батарей.
Принцип действия эффекта Зеебека
Эффект Зеебека заключается в том, что в замкнутой цепи с сердечниками из разных материалов ЭДС может возникать, когда их контакты имеют разные значения температуры. Проще говоря, параметр результирующей ЭДС во многом зависит от материалов используемых проводников, в том числе от температур неотапливаемого и нагретого проводника.
При наличии градиента температуры в проводнике по всей длине наблюдается явление, при котором электроны на нагретом конце имеют на порядок более высокие скорости и энергии, чем на ненагретом конце. В результате появляются электроны, которые направляются к холодному концу. Именно на нем накапливается отрицательный заряд. На нагретом конце накапливается положительный заряд.
Накопление заряда наблюдается до тех пор, пока разность потенциалов не достигнет показателя, при котором электроны не начнут перетекать обратно, в результате чего потенциал придет в равновесие.
Эффект Зеебека характеризуется появлением различных свойств:
- Между контактами существует разность потенциалов. Это объясняется тем, что разные проводники, находящиеся в контакте друг с другом, имеют разную энергию Ферми. В результате, когда цепь замкнута, потенциалы электронов находятся в одном и том же состоянии, что приводит к разности потенциалов между контактами. На контактах возникает электрическое поле, локализованное в тончайшем пограничном слое. Когда цепь замкнута, на проводниках появляется напряжение. Направление электрического поля в обоих контактах идет от большего к меньшему. Если изменить температуру контактов, то изменится и напряжение. Но с изменением разности потенциалов изменится и электрическое поле в одном из контактов. В результате в контуре появится ЭДС. Если проводники имеют одинаковую температуру, то объем и контактная ЭДС в этом случае будут равны нулю.
- Наблюдается появление фононного уноса. Если в твердом теле существует градиент температурного диапазона, то число фононов, направленных к концу неотапливаемого проводника, будет увеличиваться. Они станут больше, чем те, которые идут в противоположном направлении. В результате столкновений с электронами фононы будут тянуть за собой другие. В результате на нагретом проводнике будет накапливаться отрицательный заряд. В нагретом проводнике положительные заряды будут накапливаться до тех пор, пока разность потенциалов не сравняется с эффектом увеличения. Разность потенциалов при низких температурах может достигать параметров в сотни раз выше.
- Появление уноса магнонов наблюдается, но только в проводниках из магнитных материалов. ЭДС возникает из-за увлечения электронов магнонами.
Практическое Применение
Такие устройства широко используются в быту. Например, при посещении сауны мало кто задумывается о том, что температура в ней поддерживается с помощью термопары.
То есть термопара – это термоэлектрический термометр, изготовленный из двух разных металлов. Они соединены сваркой. В этом случае один конец помещается непосредственно в сауну, а другие свободные концы выводятся наружу и подключаются к измерительному прибору. Когда печь нагревает помещение сауны, концы термопары работают при совершенно разных значениях температуры. В результате возникает температурный градиент, который приводит к появлению теплового тока, то есть термоэлектродвижущей силы.
Эффект Зеебека в настоящее время используется в самых разнообразных устройствах. Примером этого могут служить датчики напряжения, датчики температуры, датчики давления газа, термоэлектрические генераторы и датчики интенсивности света.
Будущее эффекта Зеебека
Эффект Зеебека весьма интересен для ученых. Недавно ученые из Огайо разработали технологию, которая позволяет сделать этот эффект невероятно эффективным. Основным недостатком современных устройств является то, что этот эффект не позволяет генерировать значительное количество энергии даже при использовании высоколегированных контактов и наличии высокой разности температур.
Ученые предлагают использовать немагнитный полупроводник, который устанавливается во внешнее магнитное поле с температурой в диапазоне 2-20К. В этом случае возникает гигантский спиновый эффект Зеебека. Применение таких термопар позволяет значительно повысить производительность используемых приборов, расширить их функциональные возможности и область применения.
