Термоелектрика, термоелектрорушійна сила, термопари
Термоелектрика
У замкнутому ланцюгу, що складається з кількох металів або напівпровідників, електричний струм не збуджується, якщо температури всіх тіл рівні. У разі, якщо температури у місцях контактів відрізняються, то ланцюга виникає електричний струм. Подібний струм називають термоелектричним. Поява термоелектричного струму пов'язані з ним явища Пельтьє та Томсона мають назву термоелектрики.
Відкриття явище термоелектрики пов'язане з ім'ямЗеєбека. Він досліджував це, але тлумачив його неправильно. Зеєбек вважав, що під впливом різниці температур у різних провідниках, які з'єднані, йде виділення магнетизму.
Порушення термоелектричного струму, наприклад, спостерігають у наступному досвіді. До платівки сурми ($Sb$) припаюють платівку міді ($Cu$). Між платівками розташована магнітна стрілка. У тому випадку, якщо один зі спаїв нагріти, виникає струм, магнітна стрілка відхилиться. У напрямку відхилення стрілки було визначено, що струм йде від міді до сурми. Якщо спай охолоджувати, то напрям струму змінюється на протилежне.
Спробуй звернутися за допомогою до викладачів
Метал або напівпровідник, у напрямку якого йде струм через нагрітий спай термоелектричної пари, називають позитивним, а інший - негативним. Перший є анодом, а другий катодом. У термоелектричній парі мідь – сурма, сурма стане позитивною, а мідь – негативною.
Термоелектрорушійна сила
ЕРС термопари ($$) складається з електрорушійних сил обох спаїв. ЕРС одного спаю ($f(t)$) залежить від роду контактуючих металів та температури. У такому разі запишемо:
де $t_1$ - температура частини з більшою температурою, $t_2$ - температура частини спаю зменшою температурою.
Коефіцієнт термоелектрорушійної сили (диференціальна термо ЕРС) $\alpha ,$ який є характеристикою обох металів термопари визначається як:
Насправді величину $\alpha $ вимірюють стосовно свинцю (іноді до іншого металу). Це означає, що $\alpha$ вимірюється для термопари, у якої одна гілка складена з матеріалу, що вивчається, інша - зі свинцю. Коефіцієнт термоелектричної сили $_$ металу (1) по відношенню до металу (2) визначено як:
Задай питання спеціалістам і отримай відповідь вже через 15 хвилин!
де $_1і _2$ - величини коефіцієнтів термоелектрорушійної сили металів 1 і 2 по відношенню до свинцю. Ці величини залежить від чистоти речовин і дуже змінюються при додаванні домішок. Для деяких речовин, наприклад, термопар ($Cu$, $Bi$); ($Ag$, $Cu$), ($Au$, $Cu$), добре виконується формула для ЕРС термопари ($$):
Для деяких термопар залежність ЕРС термопари може бути представлена як:
Відповідно до виразу (5) ЕРС стає рівною нулю при $t_1=t_2$ і за $t_1+t_2=-\frac$. Величина $\tau$, називається температурою нейтральної точки, вона дорівнює:
У тому випадку, якщо при $t_2=const$, збільшувати $t_1$, то $$ буде рости за параболічним законом і досягне максимуму при $t_1=\tau $, а потім дорівнюватиме нулю і змінить знак при температурі $t_1=2 \tau -t_2.$ Температура, коли він величина ЕРС проходить через нуль називається точкою інверсії.
Термо ЕРС ланцюга, складеного з двох різних провідників, при невеликій різниці температур ($ triangle T to 0 $), може бути виражена формулою:
Формула (7) показує, що термо - ЕРС ланцюга є різниця термо ЕРС кожного з плеч ланцюга, при цьому в кожному з провідників з'являється термо - ЕРС $\triangle>_i=_i\triangle T$(i=1,2).
Щоб визначити як величину, а й напрям термо - ЭРС приписують певний знак. Величина $\alpha$ вважається позитивною, якщо термо струм, що виникає в провіднику, тече від гарячого до холодного. У замкнутому ланцюзі термо струм у гарячому спаї тече від провідника меншим за $\alpha $(алгебраїчно) до провідника з більшим $\alpha .$
Термоелектричні властивості у напівпровідників виражені значно сильніше, ніж у провідників. Енергія електронів у металах слабо залежить від температури, концентрації мають однакові значення при низьких та високих температурах. У металів слабо залежить становище рівня Фермі від температури. Значить, коефіцієнт термоелектрорушійної сили для металів і сплавів не вище кількох мікровольт на кельвін. У напівпровідниках концентрація носіїв заряду (електронів провідності та дірок), як і всі параметри (енергія носіїв заряду, положення рівня Фермі) істотно залежить від температури. Коефіцієнт $\alpha$ значно більше, ніж у металів, може досягати значення вище 1000 $\frac$.
Термоелектрика може використовуватися для того, щоб генерувати електричний струм. Окрема термопара (термоелемент) має дуже невелику електрорушійну силу. Для того, щоб отримати значну напругу, термоелементи з'єднують послідовно в батареї. Усі непарні спаї підтримуються за однієї температури, парні за іншої температури. При цьому електрорушійні сили окремих елементів складаються. Термобатарея подібна до теплової машини, яка включена між нагрівачем і холодильником. У такій машині більша частина теплоти, яка отримана від нагрівача, втрачається на джоулеве тепло та теплопровідність. Термобатареї з металевих термопар мають дуже маленькийККД. Близько 0,1%. Металеві термопари використовують лише для вимірювання температур і потоків променистої енергії. Суттєво продуктивніші батареї термопар із напівпровідників. При цьому одну гілка термопари виготовляють із напівпровідника з електронною провідністю, іншу з напівпровідника з дірковою провідністю. ККД напівпровідникових термопар досягає 15%.
Завдання: Знайдіть термо - ЕРС пари залізо - константан. Якщо абсолютні значення $\alpha $ щодо платини в інтервалі температур 0-100°С для Заліза $_1-_=+16\ \frac$, для константану $_2-_=-34,4\ \frac.$
Диференціальна термо - ЕРС цього ланцюга дорівнює:
При різниці температур спаїв:
Термо ЕРС цієї пари дорівнюватиме:
\ [50,4 \ cdot 100 = 5,04 \ \ left (мВ \ right). \]
Струм у гарячому спаї тектиме від константана до заліза.
Завдання: Поясніть, чому виникає термо ЕРС.
Для розгляду причини виникнення термо - ЕРС використовуємо ланцюг із двох провідників (рис.1). Нехай температура контакту B дорівнює $T_1$, температура контакту дорівнює $T$ ($T_1>T$). Температура контактів А та D однакова і дорівнює $T$. Теплові швидкості електронів біля контакту більш, ніж біля контакту З, отже, у провіднику 2 з'явиться потік дифундують електронів, який спрямований від В до С. На поверхні провідника 2 утворюються електричні заряди і, значить виникає електричне поле, його величина така, щоб в стані це поле породжує такий струм дрейфу, що він компенсує струм дифузії.
Отже, якщо у провіднику є градієнт температур, отже, у ньому з'являється градієнт електричного потенціалу.
Крім того, термо - ЕРС викликана не тільки дифузією в обсязі, але і контактними стрибками потенціалу $_ \ і $. Так як вонизалежить від температури, їх сума відмінна від нуля. Напруга, яка реєструє вольтметр на рис.1, яка дорівнює термо - ЕРС, складається з падіння напруги в обсязі провідників і стрибків потенціалу в контактах.
Так і не знайшли відповідь на своє запитання?
Просто напиши з чим тобі потрібна допомога