ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

THERMOELECTRIC PHENOMENA AND THEIR PRACTICAL APPLICATION

Victoria Kobrikova

Student, Faculty of Ecology and Technosphere Safety, Russian State Social University,

Russia, Moscow

Damir Bekbulatov

scientific supervisor, Senior Lecturer, Russian State Social University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Преобразование тепловой энергии в электрическую, а также охлаждение или нагревание проводников электрическим током относят к термоэлектрическим явлениям. Причина возникновения термоэлектрических явлений является нарушение термодинамического равновесия в потоке электрических зарядов.

ABCTRACT

The conversion of thermal energy into electrical energy, as well as the cooling or heating of conductors by electric current are referred to as thermoelectric phenomena. The cause of thermoelectric phenomena is a violation of thermodynamic equilibrium in the flow of electric charges.

Ключевые слова: физика, термоэлектрические явления, эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона, электрический ток.

Keywords: physics, thermoelectric phenomena, Seebeck effect, Peltier effect, Thomson effect, electric current.

К термоэлектрическим явления относятся эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона.

Рассмотрим эффект Зеебека. Томас Зеебек в 1821 году провел опыт. Он соединил две пластины, висмут и медь, а рядом положил магнитную стрелку. При таком условии ток не возник, поэтому он поднес горелку к одному из контактов металлов и стрелка начала поворачиваться.  Тем самым Зеебек обнаружил, что электричество может возникать между двумя разнородными проводниками при разности температур. Эффект Зеебека соответствует второму началу термодинамики, потому как внутренняя энергия преобразуется в электричество, и для осуществления этого преобразования используется два источника теплоты. Из этого следует, что для сохранения постоянного тока необходимо обеспечивать разность температур контактов, то есть нагретый контакт беспрерывно нагревать, а холодный остужать.

Эффект Зеебека применяется для определения температуры. Для этого используются термоэлементы или термопары – датчики температур, которые состоят из двух соединенных разнородных проводников. Термопары используются для измерения разности температур, а их точность составляет несколько кельвин. В отличие от термометров, термопары обладают большей чувствительностью и меньшей инерционностью, а также проводят измерения в широком диапазоне температур и допускают дистанционные измерения.

Далее рассмотрим явление Пельтье. Явление Пельтье было открыто в 1834 году французским физиком Жаном-Шарлем Пельтье. В своем опыте он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подсоединёнными к ней медным проводником. В процессе опыта он заметил, что одно соединение висмут-медь нагревается, а другое наоборот остывает. Пельтье не в полной степени понял сущность открытого им эффекта, его позднее, в 1938 года, объяснил Ленц. В своем эксперименте Ленц провел опыт с каплей воды, которая была помещена на стыке двух разнородных проводников, висмута и сурьмы. Когда он пропускал электрический ток в одном направлении, то капля воды замерзала, а при пропускании тока в другом направлении таяла. Таким образом, при прохождении тока через стык двух разнородных проводников в одном направлении выделяется тепло, а в другом поглощается.

Следующим рассмотрим явление Томсона. Это явление заключается в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создана разница температур, в зависимости от направления тока, выделяется или поглощается некоторое количество теплоты.

Физическая причина этого явления обусловлено тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. В связи с этим на холодном стыке электроны получают менее высокую энергию, чем на горячем. А также плотность свободных электронов уменьшается при уменьшении температуры, благодаря этому возникает движение электронов от горячего стыка к холодному. На холодном стыке накапливается отрицательный заряд, а на горячем – положительный. Из-за перераспределения зарядов, движение электронов прекращается. В веществах с дырочной проводимостью эффект Томсона протекает таким же образом, с одной лишь разницей, что на холодном стыке образуется положительный заряд, а на горячем – отрицательный. В связи с этим, в веществах со смешанной проводимостью явления Томсона оказывается незначительным.

В практике явление Томсона не используется, но его можно применять для определения типа примесной проводимости полупроводников. А явления Зеебека и Пельтье находят практическое применение от небольших тепловых электростанций до радиоизотопных источников энергии. Используются в безмашинных преобразователях тепловой энергии в электричество – термоэлектрогенераторах, в термостатах, измерительных системах и системах управления в качестве датчиков температуры, кондиционерах.

Примером применения может служить использование термоэлектрического явления в качестве зарядки аккумулятора. Система зарядки аккумулятора на основе отбора тепла, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания, является результативной и надежной. Срок службы такого аккумулятора может быть увеличен.

А также КПД солнечных батарей можно повысить до значения близкого к 100%. В настоящее время эксперты утверждают, что КПД можно повысить до 90%, а оставшееся количество будет списано на потере при передаче конечному потребителю. Солнечные электростанции, находящиеся в пустынях, могут нагреваться до 150 градусов по Цельсию, однако это тепло не применяется, оно все уходит в холодный ночной воздух. Используя эту энергию, эффективность повысилась бы на 300%, тем самым сделав солнечные электростанции хорошей альтернативой атомной энергетике.

В данной работе были рассмотрены термоэлектрические явление, такие как эффект Зеебека, эффект Томсона, эффект Пельтье. Таким образом, нарушение теплового равновесия в потоке заряженных частиц является причиной возникновения термоэлектрических явлений.

Список литературы:

1. Булат Л.П., Бузин Е.В. Термоэлектрические охлаждающие устройства: Метод. указания для студентов «Техника и физика низких температур». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. - 41 с.
2. Давыдков, В. В.  Физика: механика, электричество и магнетизм: учебное пособие для вузов / В. В. Давыдков. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2022. — 169 с.
3. Зотеев, А. В.  Общая физика: механика. Электричество и магнетизм: учебное пособие для вузов / А. В. Зотеев, А. А. Склянкин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2022. — 244 с.
4. Курс физики: учеб. пособие / Н.М. Рогачев. – Изд. 2-е, испр. и доп. –  Самара: Изд-во Самарского университета, 2017. – 480 с.