В чем заключается эффект зеебека
Перейти к содержимому

В чем заключается эффект зеебека

Эффект Зеебека: описание, объяснение и использование

Основной способ добычи электричества в большом количестве в настоящее время осуществляется за счет явления электромагнитной индукции, которое предполагает механическое движение проводника в магнитном поле. Однако существует другой способ получения этого вида энергии: с помощью температуры. Чтобы понять, в чем заключается суть этого процесса, следует рассмотреть эффект Зеебека.

Термоэлектрические процессы

В физике под этой фразой понимают процессы обратимого характера, которые связаны с явлениями переноса заряда (электрический ток) и тепла (теплопроводность). Выделяют три разных термоэлектрических явления, которые связаны между собой. Это эффекты:

  • Зеебека;
  • Пельтье;
  • Томсона (Кельвина).

Отметим, что эффект Джоуля, который заключается в излучении проводником тепла, когда по нему проходит ток, не включен в список выше, поскольку он является необратимым процессом.

Открытие Томаса Иоганна Зеебека

Портрет Томаса Зеебека

В 1821 году эстонско-немецкий физик Томас Зеебек провел один любопытный эксперимент: он соединил между собой две пластины, которые были изготовлены из разных материалов (висмут и медь) в замкнутый контур. Затем он нагрел один из контактов. Ученый наблюдал, что магнитная стрелка компаса, который находился поблизости от проводящего контура, начала изменять свое направление. В итоге ученый решил, что два материала (медь и висмут) поляризуются по-разному в результате действия тепла, поэтому определил открытый эффект как термомагнитный, а не термоэлектрический.

Впоследствии уже датский ученый Ханс Эрстед дал правильное объяснение открытому Зеебеком эффекту, назвав его термоэлектрическим процессом.

Суть открытого эффекта

Схема для получения термоэлектричества

Из пункта выше можно самостоятельно сделать вывод о том, что представляет собой это термоэлектрическое явление. Его суть заключается в следующем: если соединить два любых материала между собой в один контур и подвергнуть их контакты разности температуры, то в контуре потечет ток.

Заметим, что для наблюдения этого эффекта должны выполняться следующие условия:

  • Наличие замкнутого контура (электрический ток не существует в разорванной цепи).
  • Наличие контакта из двух разнородных металлов (если проводники, приводимые в контакт, будут сделаны из одного материала, то никакой разности потенциалов не будет наблюдаться). Этими материалами могут быть такие пары, как металл и другой металл, металл и полупроводник или два полупроводника разного типа (p и n).
  • Наличие разности температур между двумя контактами проводников. Эта разность лежит в основе явления возникновения ЭДС (сила электродвижущая). Отметим, что нагревать (охлаждать) следует именно контакт двух материалов, а не какой-либо один из них.

Физическое объяснение эффекта

Демонстрация эффекта Зеебека

Описанный термоэлектрический эффект является достаточно непростым явлением. Для его понимания рассмотрим систему, состоящую из медного и железного проводников, соединенных между собой. Обратим внимание на процессы, которые происходят в зоне контакта Cu-Fe, которая нагревается. Приобретая дополнительную кинетическую энергию, электроны в области нагрева создают более высокое «давление» электронного газа, поэтому стремятся убежать из нее к более холодному концу контура. Наоборот, контакт Cu-Fe, который охлаждается, вызывает потерю кинетической энергии носителей заряда, это ведет к снижению создаваемого ими давления в зоне контакта. Последний факт приводит к привлечению в холодную область свободных носителей заряда.

Если бы металлы в контакте были одинаковыми, то скорости дрейфа электронов в результате разности температур были бы одинаковыми, а их направления в каждом проводнике — противоположными, то есть никакой разности потенциалов бы не возникло. Но поскольку металлы имеют разную природу, то они различным образом реагируют на нагрев (изменение «давления» электронов и скорость их дрейфа разные для Fe и Cu). В этом и заключается причина появления ЭДС в зоне контакта.

Отметим, что при объяснении физики процесса использовалась аналогия с идеальным газом.

Направление возникающего термотока, а также его величина определяются природой металлов, разницей температур контактов, а также особенностями самой электрической замкнутой цепи.

Если рассмотреть физику процесса для пары металл-полупроводник, то она не будет отличаться от таковой для рассмотренной пары металл-металл. Приложение разности температур к двум контактам металла с полупроводником вызывает в последнем поток электронов (n-тип) или дырок (p-тип) от горячей области к холодной, что приводит к появлению разности потенциалов.

Если не поддерживать разность температур за счет отвода тепла от холодной зоны и его подвода к горячему контакту, то в цепи быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и ток прекращает течь.

Математическое описание рассматриваемого явления

Разобравшись, в чем заключается эффект Зеебека, можно перейти к вопросу его математического описания. Здесь главной величиной является так называемый коэффициент Зеебека. Он выражается формулой:

Здесь V2 и V1 — значения электрических потенциалов в области горячего и холодного контактов, T2-T1 — разность температур этих контактов, A и B — это два материала рассматриваемой замкнутой цепи.

Физический смысл коэффициента SAB заключается в том, что он показывает, какую ЭДС можно получить, если приложить разность температуры к контактам равную 1 кельвин. Типичные значения SAB для современных термоэлектрических материалов равны несколько десятков или сотен микровольт на кельвин.

Коэффициент SAB не является постоянной величиной для проводников A и B, он зависит от температуры.

КПД процесса

Это самый интересный и актуальный вопрос, который касается рассмотренного термоэлектрического эффекта. Если, приложив разность температур к цепи, можно получать электричество, тогда это явление можно использовать вместо распространенных генераторов, основанных на электромагнитной индукции. Этот вывод верен, если КПД эффекта Зеебека достаточно высок.

Для оценки КПД принято использовать следующее выражение:

Здесь ρ — удельное электрическое сопротивление, λ — коэффициент теплопроводности, Z — фактор эффективности термоэлектрического явления.

Понять это выражение несложно: чем больше коэффициент Зеебека, чем выше подвижность носителей заряда (меньше сопротивление) и чем меньше теплопроводность материала (она способствует выравниванию градиента температуры за счет переноса заряда и за счет движения фононов решетки), тем будет выше производительность цепи как генератора электричества.

Значения Z*T для металлов обычно невысоки, поскольку величина λ является большой. С другой стороны, изоляторы также нельзя использовать из-за их огромных значений ρ. Золотой серединой стало применение полупроводников.

В настоящее время для разных температур получены значения Z*T≈1, что означает следующее: примерно 10 % от затрачиваемого тепла переходит в электрическую энергию (КПД = 10 %). Чтобы этот эффект по эффективности выработки электричества мог конкурировать с современными способами его получения, необходимо разрабатывать материалы, для которых Z*T будет составлять 3-4.

Где используют этот эффект

Термометр, использующий термопару

Самым популярным направлением его использования являются инструменты для измерения температуры, которые называются термопарами. Если температура одного конца термопары известна (комнатная), то, погрузив ее второй конец в тело, температуру которого следует определить, и измеряя при этом полученную ЭДС, можно легко найти неизвестную величину.

Согласно последним новостям, две немецких автомобильных компании (Volkswagen и BMW) заявляют, что начали применять этот эффект для повышения КПД бензинового двигателя. Идея заключается в использовании выбрасываемого из выхлопной трубы тепла для генерации термоэлектричества. По заявлениям представителей этих компаний, таким способом они уже смогли уменьшить расход бензина на 5 %.

Зонд Вояджер

Серия зондов «Вояджер», миссия которых заключается в изучении окружающего нас космоса, использует для питания своей электроники эффект Зеебека. Дело в том, что солнечные батареи за пределами орбиты Марса использовать нельзя ввиду низкой плотности энергии от Солнца. На борту «Вояджера» установлен термоэлектрический генератор на изотопах плутония: радиоактивный оксид плутония распадается с выделением теплоты, которая используется парой полупроводниковых материалов (SiGe) для преобразования в электричество.

Спиновый эффект

Недавно ученые открыли интересное явление: если нагревать магнитный контакт пары Ni-Fe, то спины электронов во всем материале ориентируются определенным образом, что создает магнитное поле. Это явление получило название спинового эффекта Зеебека. Его можно использовать для создания магнитных полей без участия электрического тока.

Эффект Пельтье

Ячейка Пельтье

Так называется явление, которое было открыто в 1834 году французом Жаном Пельтье. Его суть заключается в том, что если через контакт разных материалов пропускать электрический ток, то он будет либо нагреваться, либо охлаждаться в зависимости от направления движения носителей заряда. Его используют в так называемой ячейке Пельтье, способной нагревать или охлаждать окружающие объекты, например, воду, когда ее подключают к разности потенциалов (электрической цепи).

Таким образом, эффекты Пельтье и Зеебека обратны друг другу.

Эффект Томсона (Кельвина)

Эффект Томсона

Он также входит в список термоэлектрических явлений. Открыл его лорд Кельвин (Уильям Томсон) в 1851 году. Он объединяет явления, наблюдаемые Пельтье и Зеебеком. Суть эффекта Томсона следующая: если на концах проводника создать разную температуру, а затем приложить к ним напряжение, то проводник начнет обмениваться теплом с окружающей средой. То есть он может не только его выделять, но и поглощать, что зависит от полярности потенциалов и разности температур на концах.

Отличие этого эффекта от двух предыдущих заключается в том, что он реализуется на одном, а не на двух разных проводниках.

История термоэлектричества: от железной дуги эпохи Вольта до 500-ваттных блоков на феррожидкостях

Это рассказ о термоэлектрических и термомагнитных явлениях — об истории их изучения и о том, когда ждать массового появления мощных тепловых энергоблоков, способных питать бытовые электроприборы и технику.

Прототип термоэлектрического генератора для питания автомобильного кондиционера за счет разницы температур выхлопной трубы и кузова

Примечательно, что начиналось все с исследований сокращения лягушачьих лапок времен Наполеона Бонапарта. Лапки, по сути, выступали в роли вольтметра и привели ученых того времени к паре интересных открытий.

В основе статьи лекция Андрея Варламова — известного популяризатора науки, физика-теоретика, главного научного сотрудника Института сверхпроводимости и инновационных материалов SPIN-CNR (Италия), члена-корреспондента Ломбардской академии наук и литературы. Мероприятие прошло на платформе Leader-ID в конце января 2021 года.

Давайте начнем с истории, которая произошла больше 200 лет назад.

Лапка в роли вольтметра и «животное электричество»

В 80-х годах XVIII века в одном из старейших университетов Европы в Болонье физиолог Луиджи Гальвани обнаружил удивительное явление.

В ходе своих экспериментов он препарировал лягушек и пропускал через их мускулы электрический ток, созданный при помощи электрофорной машины или разряда молнии. Под действием тока мышцы лягушки сокращались.

Слева — электрофорная машина, где электричество вырабатывается при вращении колеса. Справа — использование атмосферного электричества

В одном из экспериментов он сделал цепь из лапки и дуги, представляющей собой последовательное соединение двух разных металлов. И — о чудо! — в отсутствие внешнего источника тока лапка тоже сокращалась.

Эксперимент Гальвани

Эксперимент Гальвани

Гальвани объяснил явление «животным электричеством» (он предполагал, что в теле есть источники тока, раздражающие мышцу) и опубликовал описание эксперимента в 1791 году.

В Павианском Университете (это километров 250 от Болоньи) Алессандро Вольта по просьбе коллег взялся повторить эксперимент Гальвани. Позже он стал первым президентом Ломбардской академии наук и литературы, в которой я состою. В нашем архиве я нашел его заметки к письму Гальвани, написанные в мае 1792 года.

Текст от руки трудно разобрать, но в нем Вольта отмечает, что благодаря эксперименту превратился из пессимиста в горячего фанатика открытий Гальвани. Однако он не согласился с тем, что источником электричества является мышца животного. Хотя он получил те же результаты, в своем письме Вольта спрашивает: что же здесь указывает на животное электричество, естественное для органов?

С его точки зрения, источник тока — контакт металлов, то есть металлы не просто проводники, а «двигатели» электричества.

Также он пишет, что все зависит от качества металлов. Для успеха эксперимента абсолютно необходимо, чтобы металлы были различными.

Фактически Вольта открыл то, что мы сегодня называем контактной разностью потенциалов, предложив вместо «животного электричества» термин «металлическое электричество».

Алессандро Вольта не остановился на достигнутом и поставил новый эксперимент, который описал в письме аббату Вассали 10 февраля 1794 года.

В новой работе дуга была из одного металла, но ее конец Вольта предварительно погружал на 30 секунд в кипящую воду. Не давая ему остыть, ученый помещал концы дуги в два стакана холодной воды, и тогда лягушачья нога снова сокращалась. Это продолжалось до тех пор, пока предварительно нагретый конец дуги не остывал.

Эксперимент с неоднородным нагревом дуги из металла, где лягушачья лапка снова в роли индикатора тока

Здесь уже не шло речи о контактной разности потенциалов. Но Вольта правильно понял физические причины и заключил, что сокращение мышцы было вызвано неоднородным нагревом. Однако впоследствии Вольта переключился на создание батареи и оставил эти эксперименты.

Электричество из тепла — эффект Зеебека

Работы в этом направлении продолжились лишь 20 лет спустя, когда Томас Иоганн Зеебек открыл то, что мы сегодня называем термоэлектричеством.

Томас Иоганн ЗеебекТомас Иоганн Зеебек

Зеебек родился в 1770 году в Ревеле (Таллин, который тогда находился на территории Эстляндии). Он окончил университетские курсы в Германии и переехал в Йену, чтобы заниматься физикой. В тот период Зеебек подружился с Георгом Вильгельмом Фридрихом Гегелем, которого мы знаем как философа.

После наполеоновских войн с Россией Зеебек, который раньше жил на доходы от мануфактурной фабрики, вынужден был искать должность. Он подал прошение в Гетеборгский университет, но его не приняли из-за рецензии Гегеля — тот оценил его как отличного парня, но не очень хорошего ученого. В итоге Зеебек переехал в Берлин, где его приняли в Берлинскую академию.

В 1821 году, вдохновленный опытами Эрстеда в области электромагнетизма (в той же Берлинской академии), Иоганн Зеебек экспериментировал с по-разному нагретыми контактами и обнаружил занимательный эффект:

Явление, обнаруженное Зеебеком, заключается в появлении электрического тока при воздействии разности температур на соединение разнородных металлов.

Достаточно взять два металла, нагреть их по-разному, и в этой системе возникнет ток.

Вольтметр покажет тем большее напряжение, чем больше разница температур, а коэффициентом пропорциональности служит разница так называемых коэффициентов Зеебека для каждого из металлов.

Коэффициент Зеебека (S) характеризует один металл. Помните эксперимент с дугой Вольта? Дуга была выполнена из одного металла, но концы ее были разогреты по-разному. Благодаря разнице температуры возникала разность потенциалов, которая заставляла сокращаться мышцы лягушки.

Коэффициент Зеебека — это не что иное, как разность потенциалов, возникающая при разнице температур в один градус.

Посвященный этому опыту доклад Зеебека в Берлинской академии прославил автора настолько, что явлением заинтересовался сам Эрстед, который и был источником вдохновения для Зеебека. Зеебек назвал свое открытие термомагнетизмом. Но Эрстед понял, что магнетизмом там и не пахнет, и дал физически более правильное объяснение. Он же и ввел термин термоэлектричество. Впоследствии вместе с Фурье он создал первый термоэлектрический генератор.

Обратное явление — эффект Пельтье

Эффект Пельтье противоположен эффекту Зеебека: это термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока от внешнего источника в месте соединения двух разнородных проводников. На контакте в этом случае либо выделяется, либо поглощается тепло. А направление переноса и количество энергии зависит от вида контактирующих металлов, силы и направления тока.

Жан-Шарль-Атанас Пельтье начал свою карьеру продавцом часов Breguet. А открыл этот эффект, потому что старался понять, как изменения температуры влияют на точность показаний часов. Позже он бросил продажи и переключился на физику.

Итак, пропуская ток, мы можем либо охлаждать, либо нагревать систему. Охладитель Пельтье, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос — это твердотельные активные тепловые насосы, которые передают тепло от одной части устройства к другой в зависимости от направления тока.

Тепловой поток (количество тепла в единицу времени) пропорционален величине тока, протекающего в системе:

Чаще всего элементы Пельтье используют для создания компактных холодильников.

А наиболее яркая их демонстрация — это замерзание капли воды на контакте двух правильно подобранных проводников при пропускании тока. Эффект усиливается в магнитном поле и в принципе позволяет добиться разницы температур до 100 градусов.

А еще элементы Пельтье используют для обратного преобразования тепловой энергии в электричество.

Схема термогенератора на элементе Пельтье с использованием полупроводников. Если одну поверхность остудить, а другую нагреть, в цепи начинает течь ток

Как и в случае с эффектом Зеебека, коэффициентом пропорциональности служит разность коэффициентов Пельтье для металлов. При этом коэффициенты Пельтье и Зеебека можно выразить друг через друга.

Важная область применения элементов Пельтье — выработка электроэнергии на космических кораблях и аппаратах.

Вспомните «Вояджеры» и другие зонды, которые ушли за пределы Солнечной системы. Мощность солнечного излучения падает по мере удаления от Солнца, а термоэлектричество дает постоянный ток, если на борту присутствует ядерный источник с высокой температурой. Все космические аппараты, рассчитанные на долгую работу (30–35 лет), имеют такие термоэлектрические генераторы.

«Вояджер- 2», запущенный в 1977 году. В 2018 году NASA подтвердило, что он преодолел гелиопаузу и вошел в межзвездное пространство

Термопара как тепловая машина

Хочу провести параллель термопары и тепловой машины Карно. Эту машину Сади Карно создал в начале XIX века. В ней молекулярный газ проходит замкнутый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Для работы машины нужны нагреватель и холодильник. В результате замкнутого цикла Карно из тепла, которое подводят от нагревателя, машина производит работу при постоянной температуре и без обмена энергией с окружающей средой.

Цикл машины Карно

Термопару можно рассматривать как тепловую машину Карно. Поскольку в металлах есть свободные электроны, они выполняют роль газа, но не молекулярного, а газа Ферми, который состоит из электронов и других частиц с полуцелым спином.

Спин — квантовая характеристика, которую можно понимать как магнитный момент (врожденный — точно так же, как масса или заряд). Если масса определяет, как легко можно разогнать или затормозить частицу, заряд — как частицы притягиваются и, перемещаясь, переносят ток, то спин определяет коллективное поведение частиц.

Сравнение молекулярного газа и газа Ферми

Сравнение молекулярного газа и газа Ферми

Представьте себе автобус на конечной остановке. В автобусе имеются двухместные сиденья. Пассажиры входят по одному. Я уверен — если входить будут незнакомые друг с другом люди, они сначала заполнят каждое сиденье, оставляя второе место свободным. Когда свободных не останется, они начнут заполнять вторые места. Именно так ведут себя фермионы, подчиняясь статистике Ферми — Дирака. Они индивидуалисты — в каждом состоянии хотят жить в одиночестве.

Разница будет очевидна при сравнении молекулярного и Ферми-газа при нулевой температуре.

Идеальный газ при нуле градусов по Кельвину собирается в одну точку, потому что нет никакого движения (кинетическая энергия равна нулю). А у Ферми-газа при нулевой температуре могут существовать только две частицы с нулевым импульсом — со спином «вверх» и со спином «вниз». Следующие должны иметь хоть какой-то импульс.

В одном моле металла (один моль железа — это 56 грамм) находится 6×10 23 атомов, каждый из которых отдает три электрона. Плотность электронного газа получается огромной. Первые два электрона, как я сказал, могут иметь нулевой импульс, а дальше при добавлении электронов его необходимо постоянно наращивать. В импульсном пространстве электроны заполняют шар. И последний добавленный электрон должен иметь огромную скорость, сравнимую с процентами от скорости света. Энергии этих последних электронов — порядка 10 эВ, что эквивалентно температуре около 100 тысяч градусов (горячее поверхности Солнца).

Химический потенциал (μ) — это энергия «последних» электронов, которые не смогли пристроиться на первые сиденья нашего автобуса. Это цена входного билета. Если я хочу внести в кусок железа еще один электрон, я должен затратить эту энергию, поскольку смогу пристроить его только на периферии упомянутого выше шара в импульсном пространстве.

Полная энергия электронного газа в металле:

Идеальный газ под давлением P и с температурой T описывается уравнением:

Химический потенциал является в некотором смысле аналогом давления электронного газа в металле, т. е.:

Учитывая высокую плотность электронного газа, давление получается огромным (порядка 100 тысяч атмосфер). Для сравнения: в паровозе — 17 атмосфер, и их хватает, чтобы тянуть огромный состав. Было бы здорово заставить работать электроны с их 100 атмосфер!

Беда в том, что работа в тепловой машине производится за счет разницы температур между двумя металлами — между железом и, например, медью. Поэтому роль играет только этот маленький множитель (∆T/μ)2. Именно он определяет малый КПД.

Термодинамический подход к описанию эффекта Зеебека

Микроскопический подход объясняет и то, что наблюдали Иоганн Зеебек и Алессандро Вольта.

Если один из краев металла нагревается, электроны в нем начинают двигаться быстрее. Создается поток электронов к холодному краю, что приводит к положительной заряженности горячего конца и к отрицательной холодного. В результате между ними возникает напряжение — эффект Зеебека.

Давайте напишем немного формул. Чтобы внести частицу в металл, надо заплатить какую-то энергию — химический потенциал. Эта энергия идет на то, чтобы разогнать электрон, поскольку разместить его можно только на поверхности Ферми в импульсном пространстве.

Полная энергия электрона — сумма кинетической и потенциальной (равной произведению заряда электрона на скалярный потенциал). От точки к точке полная энергия не изменяется, поэтому ее производная по координате равна нулю. Для простоты рассмотрим одномерный проводник:

Давайте продифференцируем. Если продифференцировать скалярный потенциал по координате, мы получим электрическое поле (со знаком минус, который сократится):

Во втором выражении мы просто поделили и умножили на разницу температур.

Коэффициент Зеебека — это разность потенциалов, которая возникает на концах провода, поделенная на приложенную разность температур:

В итоге коэффициент Зеебека определяется тем, как химический потенциал зависит от температуры. Для металлов эта зависимость очень мала — порядка микровольт на Кельвин.

Предположим, мы хотим питать автомобильный кондиционер. Пусть мощность двигателя — 70 кВт, а мощность кондиционера — 2 кВт (грубо говоря, 3% от мощности двигателя идет на то, чтобы в машине было комфортно).

В деньгах это не так много — всего 3% каждой заправки пойдет на работу кондиционера, но если использовать тепло выхлопной трубы, которая примерно на 300 градусов теплее корпуса, эту энергию мы получим «бесплатно».

КПД двигателя внутреннего сгорания 35–40%, и мы могли бы вернуть хотя бы часть потерь. Однако даже если мы используем антимонид, получим лишь 1,5 милливольта, а нужно 12 вольт. Разница — четыре порядка.

Коэффициент Зеебека в полупроводниках более многообещающий:

Есть полупроводники с коэффициентом 1670, т. е. в этом случае отстаем лишь на два порядка

Есть полупроводники с коэффициентом 1670, т. е. в этом случае отстаем лишь на два порядка

Особенности термоэлектричества с разных системах

Вернемся от техники к физике. До сих пор мы использовали термодинамический подход, но ничего кроме сокращения лягушачьей лапки не получили. Я считал, что цепь разомкнута, и выразил коэффициент Зеебека через производную по температуре химического потенциала.

Существует более тонкий подход, который рассматривает движение электронов. Через него выведена так называемая формула Мотта, которая показывает, что коэффициент Зеебека — это:

Большую роль здесь играет то, как электроны рассеиваются — как их рассеяние на дефектах зависит от энергии. Таким образом, изучение коэффициента Зеебека дает нам инструмент для понимания новых материалов.

Например, недавно мы изучали сложные вещества, в которых электроны в импульсном пространстве занимают не одну сферу, а несколько поверхностей разной геометрии. Мы можем изучать, как между ними происходит рассеяние электронов.

Когда кусочки Ферми-поверхности маленькие, то этот коэффициент Зеебека становится огромным, поскольку в этом месте мал химический потенциал.

Оказывается, что существенную роль термоэлектричество играет в графене. Коэффициент Зеебека в этом материале очень большой. Поэтому если мы планируем строить наноэлектронику на базе графена, то мы не можем игнорировать термоэлектрический эффект — он составляет до трети изменений температуры контакта и может играть значительную роль в охлаждении подобных систем (K. Grosse et al., Nature Nanotechnology (2011)).

Эффект термоэлектрического охлаждения в местах контакта графена и электродов в графеновом транзисторе может быть более сильным, чем резистивный нагрев, что решает проблему охлаждения чипов

Термомагнетизм: эффект Нернста — Эттингсгаузена

Усилить термоэлектрический эффект удалось Вальтеру Нернсту и его учителю Эттингсгаузену. Нернст получил за это Нобелевскую премию по химии.

Они обнаружили, что если к одному проводнику прикладывать одновременно магнитное поле и перпендикулярный ему градиент температуры, то в третьем направлении появляется электрическое поле. И наоборот: если вы пропускаете ток в магнитном поле, то на концах проводника возникает градиент температуры.

Это явление позволяет нам исследовать новые системы.

20 лет назад в Принстонском Университете выяснили, что в высокотемпературных сверхпроводниках при некоторых условиях возникает гигантский эффект Нернста — в 500 раз больше, чем в нормальном состоянии.

Позже французские ученые показали, что подобные эффекты наблюдают и во флуктуирующих сверхпроводниках (то есть чуть выше точки перехода в сверхпроводящее состояние). В их работе наблюдаемый эффект был в 2000 раз больше.

КПД термоэлектрического устройства

Коэффициент полезного действия — это энергия, передаваемая нагрузке, например, мотору нашего кондиционера, деленная на поглощенную контактом тепловую энергию.

Величина ZT характеризует эффективность термоэлектрического устройства. Она пропорциональна проводимости (квадрату коэффициента Зеебека, деленному на теплопроводность).

Первый вывод — нужно увеличивать коэффициент Зеебека

Второй — хорошо бы увеличивать проводимость и уменьшать теплопроводность. Это трудно сделать, поскольку имеется так называемый закон Видемана — Франца, согласно которому сигма, умноженная на температуру и деленная на теплопроводность, является константой, правда, только для электронов. Но в металле есть фононы — кванты колебания кристаллической решетки, которые увеличивают теплопроводность и не позволяют достичь этой константы:

Если переходить к цифрам, устройство будет эффективным, если параметр ZT будет больше 4. Сегодня удалось довести его до 2.

Новые материалы для термоэлектричества

Обычные металлы не дали нам на практике ничего кроме сокращения лягушачьей лапки. Дальнейшие опыты привели ученых к полупроводникам, у которых сравнительно небольшой химический потенциал. На легированных полупроводниках удалось получить 2–3 Вт, чтобы питать детекторный радиоприемник, чем пользовались партизаны во время войны. Это были разработки ленинградского Института физики Иоффе, будущего Института полупроводников.

Следующий этап развития термоэлектричества — инженерия материалов, когда мы не ищем, что дала природа, а пытаемся создать вещества с заданными свойствами. В данном случае нам нужно снизить теплопроводность.

Снижение теплопроводности во многом связано со структурой материала, от элементов на атомном уровне до структур мезо- и микромасштабов. Этого можно добиться, создавая в объемных термоэлектриках разномасштабные рассеиватели. Такое использование микроструктурных дефектов усиливает рассеяние фононов на разных длинах волн, не подавляя при этом электронную проводимость. Это позволяет создавать термоэлектрические материалы с высокими характеристиками.

В наноструктурированных термоэлектрических материалах теплонесущие фононы с малой длиной свободного пробега могут рассеиваться встроенными в решетку наноразмерными внедрениями, в то время как фононы с большой длиной свободного пробега рассеиваются на мезомасштабных дефектах с точно выверенной архитектурой.

При создании дефектов нано- и мезомасштабов с точно выверенной архитектурой фононы с большой длиной свободного пробега рассеиваются, что повышает эффективность теплоэлектрической машины

Практическое применение сегодня

Сегодня уже есть пилотные проекты таких генераторов у Toyota, Ford и BMW. Там термоэлектрический генератор на полупроводниках и метаматериалах действительно встраивается в машину.

Но давайте поговорим о проблеме в целом. Мы повсеместно используем электроэнергию. Потери тепла при преобразовании других видов энергии в электричество, а также при паразитном нагреве электрических машин составляют 66%. Задача термоэлектрических генераторов — хоть немного из этого тепла вернуть в виде электроэнергии.

Сейчас мы можем рассчитывать на КПД всего в несколько процентов. Но хочу напомнить, что и солнечная энергия имеет коэффициент возвращения 14–15% от падающей на панель. Поэтому эти несколько процентов тоже играют роль.

Вдобавок у термоэлектрических генераторов есть свои преимущества в сравнении с солнечными батареями:

это твердотельные конструкции;

в них нет движущихся частей;

работают 24 часа в сутки;

не производят шума;

не требуют особого ухода;

удобны для локального снабжения энергией;

имеют стабильную температуру;

дружественны окружающей среде при процессе производства.

Но есть у термоэлектричества и недостатки:

прогресс в этом направлении наметился только в последние 50–70 лет благодаря активному использованию полупроводников, поэтому продвинулись они недалеко;

термоэлектрические генераторы требуют относительно постоянных источников тепла;

у них очень низкий КПД;

рынок очень маленький — сейчас на термоэлектрические генераторы нет значимого спроса ни со стороны индустрии, ни от частных лиц.

Рынок термоэлектрических генераторов сейчас составляет полмиллиарда долларов в год:

Для сравнения: рынок сверхпроводников составляет пять миллиардов долларов в год — в 10 раз больше.

Термоэлектричество в феррожидкостях

Вместо итогов я хочу вам рассказать о совсем новом направлении, которым я занимался в большом европейском проекте Magenta. Работа идет уже четыре года. И из-за пандемии будет продлена еще на три. Среди участников — десять партнеров, в том числе исследовательский центр Fiat.

Цель проекта — создать радикально новые жидкие термоэлектрические материалы. Magenta посвящена использованию для термоэлектричества феррожидкостей на основе ионных жидкостей — коллоидных суспензий магнитных наночастиц.

Классический электролит состоит из положительных и отрицательных ионов. Если внести в него заряженную наночастицу (довольно большого размера, которая может обладать магнитным моментом), произойдет перераспределение зарядов в электролите. Каждая наночастица с зарядом, допустим, 10 или 50 электронов, получит «шубу» из экранирующих ее противоположно заряженных ионов. И эти составные частицы размером порядка 100 ангстрем будут существенно влиять на проводимость и термоэлектрические свойства электролита в зависимости от концентрации.

Поскольку «в шубе» наночастицам двигаться легче, при малых концентрациях наночастицы увеличивают проводимость и коэффициент Зеебека.

Но главное отличие феррожидкостей даже не в этом, а в том, что до сих пор речь шла о квантовых (вырожденных) Ферми-системах с квантовым химическим потенциалом. А работая с электролитами, мы имеем дело со сложными, но классическими системами с классическим же химическим потенциалом. Даже без наночастиц ожидаемый коэффициент Зеебека должен выражаться не в микровольтах, а в долях милливольт.

Вот тут мой рассказ об этом проекте:

Жидкость, которая показана в видео, имеет коэффициент Зеебека в два милливольта на градус, то есть, один термоэлемент с такой жидкостью может дать 0,6 вольта при установке между выхлопной трубой и кузовом автомобиля.

Тестовый образец термогенерирующего элемента на феррожидкостях

Нашей задачей было создать прототип термогенератора, который выдает 500 Вт, и она выполнена — четыре таких элемента вполне могут питать автомобильный кондиционер, то есть проект сделал большой шаг вперед. Правда, перед реальным массовым использованием надо решить еще много вопросов со стабильностью, ценой и сложностью массового производства феррожидкостей.

Я думаю, что термоэлектричество займет свое место, даже если мы перейдем на электромобили. У нас всегда есть нагретые и холодные элементы, энергию которых можно преобразовать в электричество.

Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона

Работа термоэлектрических холодильных машин и генераторов базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны, как с превращением тепловой энергии в электрическую, так и с превращением энергии электрического тока в холод.

Термоэлектрические свойства проводников обусловлены связями между тепловыми и электрическими потоками:

  • эффект Зеебека — возникновение термо-ЭДС в цепи неоднородных проводников, при различных температурах ее участков ;
  • эффект Пельтье — поглощение или выделение тепла на контакте двух различных проводников при пропускании через них постоянного электрического тока ;
  • эффект Томсона — поглощение или выделение тепла (сверхджоулевого) в объеме проводника при пропускании через нега пост, электрического тока при наличии градиента температур.

Эффект Зеебека, Пельтье и Томпсона относятся к числу кинетических явлений. Они связаны с процессами перемещения заряда и энергии, поэтому их часто называют явлениями переноса. Направленные потоки заряда и энергии в кристалле порождаются и поддерживаются внешними силами: электрическим полем, градиентом температуры.

Направленный поток частиц (в частности, носителей заряда — электронов и дырок) возникает также при наличии градиента концентрации этих частиц. Магнитное поле само по себе не создает направленных потоков заряда или энергии, однако влияет на потоки, создаваемые другими внешними воздействиями.

Термоэлектрические эффекты

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека состоит в том, что если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т1 (горячий спай), а на другом температуру Т2 (холодный спай), то при условии Т1 не равна Т2 на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.

Эффект Зеебека

При наличии в проводнике градиента температуры в нем возникает термодиффузионный поток носителей заряда от горячего конца к холодному. Если электрическая цепь разомкнута, то носители накапливаются на холодном конце, заряжая его отрицательно, если это электроны, и положительно в случае дырочной проводимости. При этом на горячем конце остается нескомпенсированный заряд ионов.

Возникающее электрическое поле тормозит носители, движущиеся к холодному концу, и ускоряет носители, движущиеся к горячему. Формируемая градиентом температуры неравновесная функция распределения смещается под действием электрического поля несколько деформируется. Результирующее распределение таково, что ток равен нулю. Напряженность электрического поля пропорциональна вызвавшему его градиенту температуры.

Величина коэффициента пропорциональности и его знак зависят от свойств материала. Обнаружить электрическое поле Зеебека и измерить термоэлектродвижущую силу можно лишь в цепи, составленной из разнородных материалов. Контактные разности потенциалов соответствуют разнице химические потенциалов материалов, приведённых в контакт.

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока).

Когда электроны переходят из материала p-типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай).

Эффект Пельтье

Эффект Томсона

Эффект Томсона состоит в том, что при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, в котором создан градиент температуры, в дополнение к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты.

Физическая причина данного эффекта связана с тем, что энергия свободных электронов зависит от температуры. Тогда на горячем спае электроны приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Плотность свободных электронов также растет при повышении температуры, вследствие чего возникает поток электронов от горячего конца к холодному.

На горячем конце накапливается положительный заряд, на холодном – отрицательный. Перераспределение зарядов препятствует потоку электронов и при определенной разности потенциалов совсем его останавливает.

Аналогично протекают вышеописанные явления и в веществах с дырочной проводимостью, с той лишь разницей, что на горячем конце накапливается отрицательный заряд, а на холодном – положительно заряженные дырки. Поэтому в веществах со смешанной проводимостью эффект Томсона оказывается несущественным.

Эффект Томсона

Практическое применение эффекта Томсона не нашел, но его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.

Практическое использование эффектов Зеебека и Пельтье

Термоэлектрические явления: эффекты Зеебека и Пельтье — находят практическое использование в безмашинных преобразователях тепловой энергии в электрическую — термоэлектрогенераторах (ТЭГ), в тепловых насосах — охлаждающих устройствах, термостатах, кондиционерах, в измерительных системах и системах управления в качестве датчиков температуры, теплового потока (смотрите — Термоэлектрические преобразователи).

TEC1-12706

Основой термоэлектрических приборов являются специальные полупроводниковые элементы-преобразователи (термоэлементы, термоэлектрические модули), например такие как TEC1-12706. Подробнее читайте здесь: Элемент Пельтье — как устроен и работает, как проверить и подключить

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Спиновый эффект Зеебека — путь к термоспинтронике

a — изображение термопары, состоящей из двух разнородных металлов А и B, соединенных друг с другом. Металлы имеют разные коэффициенты Зеебека, поэтому напряжение, возникающее между «холодными» концами термопары, прямо пропорционально разности температур между «горячим» и «холодным» концами. b — объяснение спинового эффекта Зеебека. В металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разные коэффициенты Зеебека. Если к магниту приложить температурный градиент, то спиновый ток будет пропорционален разности температур на концах. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

В целом ряде термоэлектрических устройств давно используется так называемый эффект Зеебека — возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека: оказывается, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары.

В современной физике открытие новых эффектов — далеко не частое явление и, по сути, большая часть из них расширяет диапазон распространения классических эффектов на объекты наномира. Так случилось и с недавно открытым спиновым эффектом Зеебека, ставшим логическим продолжением классического эффекта Зеебека, открытого еще в 1821 году. Новичок, по заверениям ученых, способен сделать переворот в передовой области современной науки — спинтронике.

Классический эффект Зеебека заключается в возникновении электрического напряжения в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Благодаря этому эффекту человечество обрело ключи к большому классу явлений под общим названием «термоэлектричество».

Сегодня в целом ряде устройств, таких как термоэлектрогенераторы, сенсоры напряжения, температуры, давления газа, интенсивности света, задействован эффект Зеебека. Термоэлектрические устройства широко используются в нашей повседневной жизни. Почти все хотя бы раз в жизни были в сауне, но мало кто знает, что температурный контроль в ней осуществляется так называемой термопарой.

Такой термоэлектрический термометр состоит из двух кусочков разнородных металлов, соединенных сваркой (рис. 1а). Один конец термопары помещается в измеряемую среду (в нашем случае в сауну), а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству. При включении печи на нагрев разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Измерительное устройство преобразует термоток в показания термометра либо работает как датчик температуры на включение и отключение печи в сауне при достижении определенной температуры. Кстати, если, находясь в сауне, вы не имеете возможности прибавить температуру легальным путем (блок управления печью закрыт на замок администратором), то можно воспользоваться знанием физики. Для этого на «горячий» конец термопары достаточно намотать смоченный в воде носовой платок или полотенце. Следует отметить, что главное достоинство термопар по сравнению с жидкостными термометрами — широкий диапазон рабочих температур: от 4 до 2800 К в зависимости от используемых материалов.

Выделяют три основных причины возникновения термоЭДС. Во-первых, это температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников. В случае создания температурного градиента внутренние контактные разности потенциалов металлов будут различными, что и приводит к контактной составляющей термотока. Во-вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному. В металлах тепло переносят электроны, которые диффундируют от горячего конца к холодному, накапливаясь на нём. В результате появляется электрическое поле, направленное против температурного градиента и препятствующее дальнейшему разделению зарядов. В-третьих, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту и как бы «подталкивают» электроны к холодному концу.

Все эти причины учтены в так называемом коэффициенте Зеебека, который различается для разнородных проводников (так как зависит от плотности электронов проводимости и скорости их рассеяния) и определяется как отношение сгенерированного электрического напряжения к разности температур на концах проводника. Более подробно о классическом эффекте Зеебека можно прочитать здесь или здесь.

А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека. Их работа была опубликована в журнале Nature. Всё началось с теоретических рассуждений. Так как в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то авторы публикации логично предположили, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека. Другими словами, авторы предложили рассматривать магнит как два проводника с различными коэффициентами Зеебека (рис. 1b).

Итак, магнит (в данном эксперименте — 20-нанометровая пленка пермаллоя Ni81Fe19), помещенный в температурный градиент, содержит как бы два канала для электронов в разных спиновых состояниях. По сути, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары! Так как по спиновым каналам будет протекать ток разной величины, соответственно μ и μ, то на выходе из магнита мы можем извлекать чистый спиновый ток, равный μ–μ. Как показали авторы статьи, такой термически индуцированный спиновый ток способен распространяться на сравнительно большие расстояния от концов магнита.

Спиновый эффект Зеебека — принципиально новая основа для создания генераторов спиновых токов, которые являются ключевыми элементами в устройствах термоспинтроники — электроники нового поколения. Японским ученым впервые в мире удалось получить чистый спиновый ток — поток электронных спинов (точнее, электронов с одинаковым спином) без приложения электрического тока, — распространяющийся на большие расстояния (несколько миллиметров). Это поразительный результат, так как все предыдущие исследования показали, что спиновые токи затухают на дистанциях, больших чем длина спиновой диффузии (расстояние, которое проходит спин без рассеяния); для сравнения, спиновая диффузия в меди составляет около 500 нм, в платине — 5 нм. Исключение составляет лишь работа Аппельбаума, которому удалось передать спин на расстояние 350 мкм.

Авторы полагают, что спиновый эффект Зеебека серьезно изменит исследования в области спиновых токов и приведет к скорому продвижению технологий по созданию спинтронных устройств нового поколения.

Источник: K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, S. Maekawa, E. Saitoh. Observation of the spin Seebeck effect // Nature. 2008. V. 455. P. 778-781; doi:10.1038/nature07321.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *