Термоэлектрические холодильники, страница 2

Сущность явления Зеебека заключается в том, что в цепи из последовательно соединенных разных материалов, в случае, если места их контактов имеют различную температуру, возникает термоэлектродвижущая сила (термо ЭДС). Экспериментальные исследования показали, что величина термо ЭДС зависит от физических свойств материалов, образующих термопару, и перепада температур спая и свободных концов:

,     (1)

где Е – величина термо-ЭДС; 

       α_1,2 – коэффициент термо ЭДС (зависит от свойств материала и температуры горячего и холодного спаев);              

      t – температура горячего спая;

      t – температура холодного спая.

Явление Зеебека широко используется для измерения температур в термоэлектрогенераторах (тепловая энергия преобразуется в электрическую), в том числе и таких, в которых источником первичной энергией является теплота человеческого тела (электрические и электронные наручные часы, микротранзисторные радиоприемники и т.д.).

Как уже было замечено, французский ученый установил, что количество тепла Q_п, отведенное постоянным электрическим током от холодного спая термобатареи, прямо пропорционально прошедшему через спай количеству электричества и коэффициенту, называется коэффициентом Пельтье:

     (2)

где П – коэффициент Пельтье, зависящий от свойств материалов, которые находятся в контакте с термоэлементом.

В 1856 году английский ученый Томсон, применив к известным термоэлектрическим явлениям I и II законы термодинамики, вывел соотношение:

,   

и предсказал существование третьего термодинамического явления. Его сущность заключается в том, что если вдоль какого-либо проводника (полупроводника) существует перепад температур, то при прохождении через него постоянного тока в его объеме дополнительно к теплоте Джоуля выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество тепла – теплоты Томсона Q_τ, пропорционально количеству прошедшего электричества, перепаду температур на концах (t-t₀) и коэффициенту Томсона:

,    (4)

где τ – коэффициент Томсона.

Особенности термоэлектрических явлений состоят в том, что энергия свободных электронов различных проводников различна и по-разному изменяется с изменением температуры. Рассмотрим электрическое состояние полупроводника с электрической проводимостью при различных температурах на концах. Если нагреть один из концов проводника, то свободные электроны горячего конца, получив дополнительную тепловую энергию, будут перемещаться к холодному концу с более низким энергетическим уровнем до тех пор, пока не наступит равновесие между отрицательным зарядом свободного конца и энергией движения электронов. В результате перехода некоторого количества электронов на более низкий энергетический уровень концы такого проводника оказываются заряженными: холодный конец отрицательным зарядом, горячий положительным, т.е. возникает электрический потенциал – термо ЭДС, уравновешенная энергией теплового движения электронов. Если к такому проводнику подвести электрический потенциал внешнего источника постоянного тока, то внутренний тепловой потенциал проводника будет либо препятствовать прохождению тока, либо способствовать, в зависимости от направления внешнего тока. При совпадении направления внешнего электрического тока с направлением внутреннего теплового потенциала общая температура проводника снижается, т.е. теплота Томсона поглощается массой проводника. При направлении внешнего электрического тока в сторону, противоположную направлению внутреннего теплового поля, энергия внешнего электрического поля расходуется дополнительно на изменение направления движения свободных электронов проводника, что приводит к дополнительному нагреву общей массы проводника, т.е. дополнительно к Джоулевой теплоте проводник выделяет теплоту Томсона.