![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Термоэлектричество. Термоэлектрический генератор и холодильникСтр 1 из 2Следующая ⇒
В 1821 г..немецкий ученый Т. Зеебек сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. Сущность открытого эффекта состоит в следующем. Если спаять концы двух разнородных проводников, то такую цепь называют термоэлектрической или термопарой. Далее, если один из спаев нагреть, то при разности температур спаев (Тг — Тх) между ними возникает разность потенциалов, называемая термоэлектрической движущей силой ε т (термоэдс).
Контактная разность потенциалов в горячем спае ε =
где α = (k/e 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, Тг и Тх, то при разомкнутом ключе в цепи будет существовать разность потенциалов ε. При известном α по величине ε можно измерить разность температур спаев, а при Тх = 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 ТТТ, 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 Ек. Согласно выбранному направлению электрического тока I от стороннего источника следует, что напряженности контактного Еr и стороннего Е электрических полей на спаях имеют взаимную ориентацию, которая показана на риcунке.
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
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 Тх. 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.
|