Примечания
-
В 1794 году Вольта обнаружил, что если между концами железного стержня существует разница температур, то это может вызвать спазмы лягушачьей лапы. Его аппарат состоял из двух стаканов воды. В каждый стакан был погружен провод, который соединялся с одной или другой задней лапой лягушки. Железный прут сгибали в лук и один конец нагревали в кипящей воде. Когда концы железного лука опускались в два стакана, термоэлектрический ток проходил через лапы лягушки и заставлял их подергиваться. Видеть:
- Вольта, Алессандро (1794). «Nuova memoria sull’elettricità animale del Sig. Дон Алессандро Вольта… in alcune lettere al Sig. Абб. Антон Мария Вассалли…» . Annali di Chimica e Storia Naturale (Летопись химии и естествознания) (на итальянском языке). 5 : 132–144. ; см. стр. 139.
- Перепечатано в: Вольта, Алессандро (1816) Collezione dell’Opere del Cavaliere Conte Alessandro Volta … . (на итальянском языке) Флоренция (Firenze), (Италия): Гульельмо Пьятти. т. 2, часть 1. (Новые мемуары об электричестве животных, разделенные на три буквы, адресованные аббату Антонио Марии Вассалли… Первое письмо ), с. 197–206;
Из (Вольта, 1794), стр. 139: «… tuffava nell’acqua bollente un capo di tal arco per qualche mezzo minuto,… inetto de tutto ad eccitare le convulsioni dell’animale». (… Я окунул в кипящую воду один конец такой дуги примерно на полминуты, затем вынул его и, не давая ему остыть, возобновил эксперимент с двумя стаканами холодной воды; и даже два, три, четыре раза повторения эксперимента, пока, , такими погружениями больше или менее продолжительное и повторяющееся, или более продолжительное пребывание на воздухе — конец железного ранее погружен в горячую воду, эта дуга снова совершенно неспособной вызывать судороги животного.)
Конструкции XX века
Терматтаикс
Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года характеризуется сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Строгость обусловлена фактом: прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.
На передней панели прибора стоит ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния на выходное напряжение. Отдельные авторы предполагают большие флуктуации, но по тексту уже высказывалась точка зрения о приемлемой стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.
Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. В отсутствии электричества оно получается в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова.
Газовое радио
Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями либо оставались без названия. Рекламка говорит: когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиотрансляции в любой точке мира. Такие времена: доза каменного угля, и новости всегда рядом.
Этот термоэлектрический генератор представляет блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не даст большое напряжение, но, набрав побольше соединений проводов, остаётся возможность получить удовлетворительный результат.
Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Прогревая приёмник, достигается напряжение до 40 мВ. Если включить последовательно 50 термопар, образуется 2 В, чего хватит для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.
Лампочка Ильича
Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Истинный друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.
Интерес для исследований
В настоящее время есть две главные сферы, в которых термоэлектрические устройства могут использоваться для повышения эффективности использования энергии и/или снижения уровня загрязнения: преобразование отработанного тепла в пригодную для использования энергию и охлаждение.
Выработка электроэнергии
В транспортных средствах двигатели внутреннего сгорания очень неэффективно используют энергию (потребляют только 20-25 % энергии, произведенной в результате сгорания топлива). Кроме того, вырабатываемая механическая энергия дополнительно расходуется из-за необходимости улучшать рабочие характеристики, применения бортовых средств управления и других современных устройств (контроль устойчивости, телематика, навигационные системы, электронное торможение, и т. д.). Чтобы улучшить к.п.д. по топливу, можно преобразовывать бесполезную (в большинстве случаев) тепловую энергию от двигателя в электрическую и использовать её для питания различных устройств в автомобиле. Термоэлектрические устройства таким образом используются, чтобы преобразовать отработанное тепло в используемую энергию, используя эффект Зеебека.
В настоящее время, некоторые электростанции используют метод, известный как когенерация: в дополнение к произведенной электроэнергии вырабатывается тепло, которое используется в альтернативных целях. Термоэлектричество может найти применение в таких системах. Также термоэлектричество может применяться в системах преобразования солнечной энергии.
Охлаждение
Термоэлектрические устройства, применимые охлаждению, используя эффект Пельтье, могут уменьшить выбросы в атмосферу веществ, истощающих озоновый слой. Такие вещества — гидрохлорофтороуглероды и хлорофтороуглероды — долго были в основе технологий охлаждения. Недавно было принято законодательство, регулирующее использование таких химикатов для охлаждения; текущее международное законодательство контролирует объемы этих веществ, и запрещает их производство после 2020 года в развитых странах и после 2030 года в развивающихся. Подобные запреты и обеспокоенность состоянием окружающей среды способствуют разработке эффективных термоэлектрических охлаждающих элементов. Такие элементы могут уменьшить выброс вредных химикатов и работать тише (так как они — твердые тела и не требуют шумных компрессоров). Парокомпрессорные охладители все еще более эффективны чем охладители Пельтье, но они занимают больше места и сложнее в обслуживании.
Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах
Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.
Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S
Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.
Область применения ЭП
Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.
Сегодня ЭП широко применяется:
- в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
- в осушителях для извлечения воды из воздуха;
- в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
- для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
- для охлаждения компьютерных компонентов.
В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:
- в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
- в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
- в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.
Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.
Эффективность ТЭГ
Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:
- Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
- Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.
Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.
Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.
Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.
Термопара
Термоэлектричество может использоваться для того, чтобы генерировать электрический ток. Отдельная термопара (термоэлемент) имеет очень небольшую электродвижущую силу. Для того чтобы получить значительные напряжения термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживаются при одной температуре, четные при другой температуре. При этом электродвижущие силы отдельных элементов складываются. Термобатарея подобна тепловой машине, которая включена между нагревателем и холодильником. В такой машине большая часть теплоты, которая получена от нагревателя, теряется на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар имеют очень маленьким КПД. Около 0,1%. Металлические термопары используют только для измерения температур и потоков лучистой энергии. Существенно продуктивнее батареи термопар из полупроводников. При этом одну ветвь термопары изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью, другую из полупроводника с дырочной проводимостью. КПД полупроводниковых термопар достигает 15%.
Пример 1
Задание: Найдите термо — ЭДС пары железо — константан. Если абсолютные значения $\alpha $ относительно платины в интервале температур 0-100°С для Железа ${\alpha }_1-{\alpha }_{Pt}=+16\ \frac{мкВ}{К}$, для константана ${\alpha }_2-{\alpha }_{Pt}=-34,4\ \frac{мкВ}{К}.$
Решение:
Дифференциальная термо — ЭДС этой цепи равна:
\
При разности температур спаев:
\
Термо ЭДС этой пары будет равна:
\
Ток в горячем спае будет течь от константана к железу.
Ответ: $5,04\ мВ.$
Пример 2
Задание: Объясните, почему возникает термо ЭДС.
Решение:
Для рассмотрения причины возникновения термо — ЭДС используем цепь из двух проводников (рис.1). Пусть температура контакта B равна $T_1$, температура контакта С равна $T$ ($T_1>T$). Температура контактов А и D одинакова и равна $T$. Тепловые скорости электронов около контакта В больше, чем около контакта С, следовательно, в проводнике 2 появится поток диффундирующих электронов, который направлен от В к С. На поверхности проводника 2 образуются электрические заряды и, значит возникает электрическое поле, его величина такова, чтобы в установившемся состоянии это поле порождает такой ток дрейфа, что он компенсирует ток диффузии.
Рисунок 1.
Значит, если в проводнике есть градиент температур, следовательно, в нем появляется градиент электрического потенциала.
Кроме того, термо — ЭДС вызвана не только диффузией в объеме, но и контактными скачками потенциала${\varphi }_{i12}\ и{\ \varphi }_{i21}\ $. Так как они зависят от температуры, то их сумма отлична от нуля. Напряжение, которое регистрирует вольтметр на рис.1, которое равно термо — ЭДС, складывается из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах.
Термоэлектричество
Термоэлектричество было открыто Зеебеком еще в двадцатых годах прошлого века. Для его наблюдения достаточно присоединить к милливольтметру два куска медной проволоки и замкнуть их куском проволоки из другого материала, например железа. Пока температура обоих спаев одинакова, милливольтметр не обнаруживает никакой ЭДС. Но при нагревании одного из спаев в цепи появляется термо — ЭДС и стрелка милливольтметра отклоняется. Если нагретый спай охладить и затем нагреть другой спай, то знак термо — ЭДС изменяется и стрелка милливольтметра отклоняется в другую сторону.
Термоэлектричество широко используют для измерения температур. Обе проволоки заключены в фарфоровую трубку Т для предохранения спая от химических воздействий. Второй спай ( II) поддерживается при неизменной температуре. Концы цепи а и б присоединяют к милливольтметру или ( при очень точных измерениях) к потенциометру для измерения термо — ЭДС компенсационным методом. Термопары обладают тем преимуществом, что позволяют измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, что невозможно сделать с помощью обычных жидкостных термометров.
Демонстрация термоэлектродвижущей силы. |
Термоэлектричество широко используют цля измерения температур. Обе проволоки заключены в фарфоровую трубку т для предохранения спая от химических воздействий.
Термоэлектричество широко используют для измерения температур. Обе проволоки заключены в фарфоровую трубку т для предохранения спая от химических воздействий. Второй спай ( II) поддерживается при неизменной температуре.
Термоэлектричество чаще всего рассматривается в связи с возможностью прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Именно это позволяет отнести термоэлектрический метод наряду с электрохимическим, термоэмиссионным и магнитогидро-динамическим к категории методов, основанных на безмашинном преобразовании энергии.
Термоэлектричество, а также производство термоэлементов из полупроводниковых материалов имеют большие перспективы, особенно для малой энергетики, и прежде всего для радио.
Явление термоэлектричества заключается в следующем.
История термоэлектричества насчитывает более 200 лет. Но только в последние десятилетия наблюдается быстрое развитие теории и практики термоэлектрического приборостроения. Стало понятно, что термоэлектричество имеет большое будущее и огромный потенциал.
Теория термоэлектричества в этой последней форме допускает обобщение и распространение ее на анизотропные тела , а справедливость соотношений Томсона доказывается в самом общем случае.
Возникновение термоэлектричества ( ТЭДС) обусловлено двумя причинами: объемной ТЭДС и изменением контактлой разности потенциалов. Объемна ТЭДС возникает в каждом из электродов ( проводников), образующих термопару, при неравенстве температур их концов.
Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем.
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.
Что такое термоэлектричество и где оно используется в технике.
Термоэлектрическая цепь с малым сопротивлением. |
Как сделать термоэлектрический генератор своими руками
Сейчас элементы Пальтье широко используются практически во всех системах охлаждения, чаще всего их можно встретить в холодильниках. Поэтому особой сложности с подбором материалов у вас возникнуть не должно. Чтобы сделать самодельный термоэлектрический генератор необходимо подготовить следующие материалы:
- Элемент Пельтье, у него должны быть следующие параметры: размер – 40*40*3,4, максимальный ток – 10 А, напряжение – 15 Вольт, маркировка – TEC 1-12710.
- Компьютерный блок питания (только его корпус).
- Стабилизатор напряжение, с входным напряжением 1.5 Вольт, и на выходе он должен выдавать 5 Вольт. Чтобы сразу упросить работу с ним, мы будет подключать USB, современные гаджеты с помощью него можно взять без проблем.
- Радиатор, можно использовать и компьютерный куллер.
- Термопаста.
Пошаговая инструкция:
Чтобы сделать термоэлектрический модуль пельтье своими руками нужно проделать следующие шаги, на этом этапе проявите осторожность, уж слишком много проблем может возникнуть. Отличная статья по теме: делаем проектор для мобильного телефона
- Разбираем старый блок питания, его мы будет использовать только в качестве корпуса для разжигания огня.
- К поверхности радиатора клеем пластину Пельтье, для этого берем термопасту. Клеем паркировкой к самому радиатору, так как это холодная сторона. Если перепутаете полярность, тогда нужно будет менять провода в дальнейшем.
- К обратной стороне клеем блок питания, вот так это выглядит на фото.
- Крепим пластины и к стабилизатору припаиваем USBвыход для зарядки телефонов.
- Помещаем 5-ти вольтный преобразователь в радиаторе и переходим к испытаниям.
Вот еще один интересный способ:
Как создавались термогенераторы
Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рис. 2.
Рис. 2. Термобатарея, схематическое устройство
Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом. В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.
Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.
Дальнейшее чтение
- Роу, Д.М., изд. (2006). Справочник по термоэлектрике: от макро до нано . Тейлор и Фрэнсис . ISBN 0-8493-2264-2.
- PM Джек (2003). Физическое пространство как кватернионная структура I: уравнения Максвелла. Краткое примечаниеТоронто, Канада arXivmath-ph / 0307038v1
- Безансон, Роберт М. (1985). Энциклопедия физики (третье изд.). Компания Ван Ностранд Райнхольд. ISBN 0-442-25778-3.
- Иоффе, АФ (1957). Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение . Infosearch Limited. ISBN 0-85086-039-3.
- Томсон, Уильям (1851). «К механической теории термоэлектрических токов». Proc.Roy.Soc.Edinburgh : 91–98.
«Главный академик Иоффе»
Интересно, что до сих пор многие заблуждаются насчет изобретения Иоффе. Одни считают, что он первым обнаружил термоэлектрический эффект… Другие (кто в курсе, что этот эффект открыл немецкий физик Томас Иоганн Зеебек в 1821 году) думают, что Иоффе лишь довел теоретическую идею Зеебека до реального практически применимого устройства. На самом деле, не правы и первые, и вторые!
К примеру, в 1879 году французский инженер-электротехник Клуэ представил агрегат на основе 6000 последовательно соединенных термопар, в котором нагрев осуществлялся топкой, потреблявшей около десяти килограммов угля в час, а охлаждение — водяной рубашкой. Такой термоэлектрогенератор выдавал ток напряжением 218 вольт и питал восемьдесят электродуговых угольных лампочек конструкции Яблочкова!
Так что же придумал Иоффе? Его заслуга в том, что он предложил использовать в термопарах не спай разнородных металлов, а спай полупроводников! Это позволяло увеличить коэффициент полезного действия (КПД) генератора и уменьшить разницу между нагреваемой и охлаждаемой его частями.
Хотя реальный КПД таких устройств не превышал даже одного(!) процента, в условиях скрывающегося в лесу партизанского отряда простота использования «котелка», его компактность и дешевизна выигрывали у динамо-машин любых конструкций, в том числе и распространенного в то время в войсках «солдат-мотора» — динамо-генератора на основе велосипеда без колес.
Фото из архива
Полевой педальный электрогенератор «солдат-мотор».
После войны А.Ф.Иоффе продолжил фундаментальные исследования и заложил основы полупроводниковой термоэлектрической энергетики. В 1961 году за теоретические и экспериментальные исследования свойств полупроводников и разработку теории термоэлектрических генераторов великого советского физика наградили Ленинской премией. К сожалению, произошло это спустя год после его смерти.
Разнообразные же практические варианты «генератора Иоффе» были весьма распространены в народном хозяйстве и в течение многих лет после войны. В первую очередь там, где отсутствовало стационарное электроснабжение.
Серийно выпускались, к примеру, приборы под названием ТГК-3 и ТЭГК-2-2, оформленные в виде насадки на стекло стандартной керосиновой лампы. Кстати, возможность светить керосинка не теряла!
wikimedia.org
Термоэлектрогенератор ТГК-3-3.
Были и оформленные в виде керогазов (фитильных керосиновых горелок для приготовления пищи) модели ТГК-9, ТГК-10 и ТГУ-1 — более мощные, но без сопутствующего эффекта освещения.
wikimedia.org
Термоэлектрогенератор ТГК-3-10.
В отличие от «партизанского котелка» разность температур в термопарах таких генераторов обеспечивали ребристые алюминиевые радиаторы. Холодная часть термопар охлаждалась воздухом, а не водой, как в котелках. Такие генераторы активно использовались в деревнях для питания радиоприемников и маломощных колхозных коротковолновых радиостанций «Урожай», обеспечивавших связь между правлением колхоза и полевым станом или выездной машинно-тракторной станцией, и даже поставлялись на экспорт!
wikimedia.org
Колхозная радиостанция «Урожай».
Насадки на керосинки и керогазы перестали производить в 70-х, а вот «партизанские котелки» выпускались (хотя в это трудно поверить) вплоть до начала 2000-х годов!
Конечно, выглядели они уже не так, как их предшественники времен войны, но в целом конструкция не отличалась принципиально с технической точки зрения. Емкость, внутри которой вода, а снаружи — огонь костра или даже газовой плиты. Производило их по старой памяти предприятие оборонки Правдинский опытный завод источников тока в Пушкинском районе Московской области. Оно делало в свое время тот самый первый «котелок».
Современный же вариант под названием ГТУ-12-12 представлял собой цилиндрическую алюминиевую кастрюлю с винтовыми клеммами для подключения проводов. Он выдавал напряжение 12 вольт с током 1 ампер, чего хватало для заряда батарей большинства портативных гаджетов и освещения охотничьей избушки.
К сожалению, производство этих устройств давно прекращено, но и по сей день изредка появляющиеся в продаже на досках бесплатных объявлений «котелки» быстро раскупаются туристами, путешественниками, рыбаками, охотниками и «выживальщиками»!
wikimedia.org
«Партизанский котелок» из 2000-х годов, ГТУ-12-12