Термоэлектричество. Термоэлектрический генератор и холодильник

где α = (k/e n(n₁/n₂ - коэффициент термоэдс, или коэффициент Зеебека. Для боль­шинства металлов α ≤ 10۰ 10^-6, а для полупроводников α = (200 — 300)۰ 10^-6 В/К. Описанное явление называют термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека.

Эффект Зеебека качественно можно объяснить тем, что сред­няя энергия свободного электрона в разных проводниках раз­лична и по-разному возрастает с повышением температуры.При наличии перепада температур по длине проводника возникает направленное движение электронов от горячего спая к холодному. Следствием этого является образование избытка отрицательных зарядов у холодного спая и избытка положи­тельных зарядов у горячего спая. В термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух электродов с разными концент­рациями электронного газа и температурами спаев, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном спае увеличивает его от­рицательный потенциал до тех пор, пока не установится дина­мическое равновесие между электронным газом, смещающим­ся к холодному спаю, и электронами, уходящими от холодно­го спая под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность, тем меньше скорость обратного перетока электронов и, следовательно, тем выше ЭДС. Именно поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы. И поэтому только с 1960 г., после того как были созданы полупроводники, появилась возможность широкого практического использования эффекта с энергетическими це­лями. Термоэлектрический эффект Зеебека может быть исполь­зован для производства электроэнергии в термоэлектрическом генераторе (ТЭГ). Полупроводниковые ТЭГ имеют КПД 8—12% и более. На рисунке дана принципиальная схема термоэлект­рического генератора. Электроды 1 и 2 выполнены из различ­ных металлов или полупроводников и соединены спаями А и В. В разрыве электрода 2 расположены ключ 3 и нагрузка R. Если контакты А и В поддерживаются при температурах, со­ответственно, Т_г и Т_х, то при разомкнутом ключе в цепи будет существовать разность потенциалов ε. При известном α по величине ε можно измерить разность температур спаев, а при Т_х = const — значение темпе­ратуры горячего спая и среды, в которой он находится. Такую пару электродов с милливольтметром называют термопарой. Ее назначение — измерение температуры различных сред. Тер­мопары из металлов, их сплавов и полупроводников нашли широкое применение на летательных аппаратах в качестве основного элемента системы пожарной- сигнализации и для измерения высоких температур продуктов сгорания. При замкнутом ключе в электрической цепи с нагрузкой R потечет ток Т_ТТ, называемый термотоком.

Позднее будет рассмотрен вопрос о том, что естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделением ки­нетической энергии частиц и фотонов. Эта энергия поглощает­ся средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превраща­ется в теплоту, которую можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Такие термоэлектрические генераторы называют радиоизотопными. Они имеют КПД, равный 3—5%, надежны в работе, компакт­ны, обладают ресурсом до 10 лет. Радиоизотопные термогене­раторы предполагают использовать в качестве источника энер­гии для искусственного сердца человека и в системах космиче­ского назначения, где необходимы источники энергии, способ­ные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздействия ионизирующих излучений, в радиационных по­ясах, на поверхности.других планет и их спутников. В насто­ящее время есть проекты генераторов мощностью до 10 кВт.

Еще одним из вариантов применения ТЭГ является тепло­вой насос.

Обратный эффект, заключающийся в появлении разности температур в спаях термопары под действием проходяще­го постоянного электрическо­го тока, называют эффектом Пельтье. Открыт он в 1834 г. французским часовщиком Ж. Пельтье. Эффект Пельтье качественно можно объяснить тем, что благодаря контакт­ной разности потенциалов в спаях А и В созда­ется контактное электричес­кое поле напряженностью Е_к. Согласно выбранному направлению электрического тока I от стороннего источника следует, что напряженности контактно­го Е_r и стороннего Е электрических полей на спаях имеют взаимную ориентацию, которая показана на риcунке.

Это зна­чит, что электроны в спае А движутся вдоль контактного поля, а в спае В — против.

Следовательно, в спае А векторы напряженностей двух полей противоположно направлены, и поэто­му электроны проводимости испытывают торможение со сто­роны контактного электрического поля. Кинетическая энер­гия их уменьшается. При столкновениях с ионами кристалли­ческой решетки в спае А электроны получают от ионов энергию, понижая внутреннюю энергию, а следовательно, и температу­ру спая А. В спае В результирующее электрическое поле из-за одинаковой направленности векторов Е и _Ек возрастает отно­сительно спая А, и в нем происходит противоположный пре­дыдущему процесс повышения температуры — спай В нагре-

вается. При противоположном направлении тока / нагревать­ся будет спай А, а охлаждаться — спай В.

Если температура холодного спая ниже температуры окружаю­щей среды, то такая система производит холод. Поэтому явление Пельтье.используется
в термоэлектриче­ских полупроводни­ковых холодильни­ках. Схема термо-
электрического холо­дильника приведена на рисунке.

Прин­цип его действия основан на том, что при протекании постоянного тока через спай разнородных полу­проводников 1 и 2 в этом спае в зависимости от направления тока выделяется или поглощается соответственно теплота Q₁ и Q₂. Применительно к рисунку, в спаях обозначенных буквой «г», теплота выде­ляется, а в спаях «х» — поглощается, за счет чего спаи приоб­ретают температуру T _г и Т_х.

Однако термоэлектрический холодильник малоэффективен. И обусловлено это, во-первых, перетоком теплоты по провод­никам 1 и 2 от горячих спаев к холодным и, во-вторых, затра­той электроэнергии на джоулевы потери в проводниках. В ре­зультате холодильный коэффициент реальных ТЭХ в 10 раз меньше теоретического и в несколько раз меньше холодильни­ков стандартного типа. И все же термоэлектрический холо­дильник привлекает своей простотой и надежностью. Рассмот­ренный ТЭХ может быть использован для кондиционирования температуры воздуха в помещении. Для.этого спаи «г» необ­ходимо разместить на улице, а спаи «х» — в помещении. Если же температура на улице становится низкой и помещение нуж­дается в отоплении, то достаточно изменить направление элек­трического тока и термоэлектрический прибор будет работать в режиме теплового насоса. Описанный кондиционер приоб­рел широкое распространение благодаря простоте и удобству эксплуатации.