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.
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).
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