Лекция 2. Термоэлектрические преобразователи, их принцип действия и применяемые материалы

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем.

Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 12-1, а), причем температуру Θ₁ одного места соедине­ния сделать отличной от температуры Θ₀ другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций Рис. 12-1.

температур мест соединения проводников:

Е_АВ(Θ₁, Θ₀) = ƒ(Θ₁) – ƒ(Θ₀)

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — тер­моэлектродами, а места их соединения – спаями.

Термо-ЭДС при небольшом перепаде температур между спаями можно считать пропорцио­нальной разности температур:

Е_АВ = S_ABΔΘ.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, значение тер­мо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этомместа соединений находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС.

Можноразомкнуть контур в месте контактирования термоэлектро­дов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 12-1, б). Значение термо-ЭДС в этом случае определится как

Е = Е_АВ (Θ₁) + Е_BC(Θ₀) + Е_СА (Θ₀) = Е_АВ (Θ₁) + Е_ВА (Θ₁)= Е_АВ (Θ₁) — E_AB (Θ₀),

так как если два любых проводника А и В имеют по отношению к третьему С термо-ЭДС Е_Ас и Е_BC, то термо-ЭДС термопары

А В = Е_АВ = Е_АС + Е_BC.

Можно разорвать также один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник в место разрыва (рис. 12-1, в). Значение термо-ЭДС в этом случае будет тем же, что и в предыдущем. Действительно,

Е = Е_АВ (Θ₁) + Е_BC (Θ₂) 4- Е_CB (Θ₂) + Е_BA (Θ₀) = E_AB (Θ₁) – Е_AB (Θ₀).

Таким образом, прибор для измерения термо-ЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и наз­ван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных про­водников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай.

Во второй половине XIX в. Томсоном был от­крыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего темпе­ратурный градиент, некоторой разности потенциа­лов и в выделении дополнительной тепловой мощ­ности при прохождении тока по этому проводни­ку. Однако ЭДС Томсона и дополнительная теп­ловая мощность настолько малы, что в практи­ческих расчетах ими обычно пренебрегают.

На рис.12-2 показана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в зависимости от положения переключателя К мо­жет работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в режиме переноса теплоты между спаями (положение 2).

КПД термоэлектрического генератора зависит от разности темпе­ратур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при ΔΘ = 300 °С не превышает η = 13%, а при ΔΘ - 100 ^oС

КПД термоэлектрического подогревателя или холодильника также очень мал: для холодильника КПД при температурном перепаде 5 °С составляет 9%, а при перепаде 40 °С — только 0,6%.

Тепловой баланс охлаждаемого в результате эффекта Пельтье спая определяется уравнением

Рис. 12-2

П₁₂I – kI²R – G^’_Θ(Θ_нагр – Θ_охл) – G_Θ(Θ_окр – Θ_охл)= 0,

где П₁₂I — теплота, поглощаемая в спае за счет эффекта Пельтье; I – ток через спай; П₁₂ – коэффициент Пельтье, зависящий от мате­риалов спая; I²R – выделяющаяся в термоэлементе теплота Джоуля, часть которой поступает на холодный спай; G^’_Θ(Θ_нагр – Θ_охл) –тепло­вой поток, обусловленный разностью температур нагреваемого и охлаждаемого спаев; G_Θ – тепловая проводимость термоэлемента; G_Θ(Θ_окр – Θ_охл) – тепловой поток, возникающий в результате теп­лообмена между окружающей средой и охлаждаемым спаем.

Как видно из приведенного уравнения, температура холодного спая будет уменьшаться при увеличении тока за счет эффекта Пельтье, в то же время с увеличением тока увеличивается теплота Джоуля, и эффект нагревания при больших токах снижает эффект охлаждения. Поэтому минимальная температура холодного спая достигается при некотором оптимальном токе.

В измерительной технике термопары получили широкое распро­странение для измерения температур. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток.