Мы привыкли к тому, что в современном мире большинство способов для генерации электрического тока требует задействования относительно сложных в своём устройстве генераторов, представляющих механические устройства с движущимися деталями, которые изнашиваются во время работы.
Тем не менее, существует отдельный вид генераторов, которые не содержат в своём составе движущихся механических частей — так называемые «термоэлектрические генераторы».
▍ Термоэлектричество
Как можно судить по самому названию, термоэлектричеством называется электрическая энергия, получаемая непосредственно из теплоты, а такой переход осуществляется с помощью так называемых «термопар».
Термопары представляют собой два разных материала, спаянных друг с другом. Если один конец термопары нагрет больше, чем другой, то возникает электрический ток. Впервые этот эффект был подробно исследован немецким учёным Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году. Правда, изначально он думал, что происходит преобразование не непосредственно теплоты в электроэнергию, а теплота промежуточно преобразуется в магнитное поле. К такой мысли его подвело то, что при нагревании термопары у него происходило отклонение магнитной стрелки, расположенной неподалёку, в то время как на самом деле отклонение этой стрелки происходило под воздействием электрического тока в термопаре, уже, в свою очередь, вызывающего возникновение электромагнитного поля.
Тем не менее, возникновение электрического тока Зеебеком не было замечено, а было обнаружено уже следующим учёным, французом Пьером Жозефом Пеллетье (Pierre Joseph Pelletier).
Чтобы понять, как вообще происходит возникновение электрического тока в термопарах, следует сначала ознакомиться со строением вещества как такового.
Дело в том, что все вещества, независимо от их формы — будь то твёрдая, жидкая или газообразная, состоят из атомов, где каждый атом, в свою очередь, представлен ядром, имеющим положительный заряд, и движущимися вокруг него электронами, имеющими отрицательный заряд.
Количество электронов обычно таково, что их суммарный отрицательный заряд равняется положительному заряду ядра атома, поэтому можно сказать, что весь атом в целом имеет нейтральный заряд.
Разные вещества отличаются тем, что их атомы имеют различного размера положительный заряд ядра и, соответственно, разное число вращающихся вокруг них электронов: например, известно, что атом кислорода содержит 8 электронов, в то время как атом железа — 26, а, например, атом урана — 92.
В твёрдых телах атомы располагаются в пространстве таким образом, что образуют объёмную трёхмерную решётку, где в узлах этой решётки и находятся атомы. При этом такое строение вещества сохраняется вплоть до его расплавления (если, например, мы говорим о металлах), а атомы в своём нормальном состоянии колеблются, находясь в узлах этой решётки, и колеблются тем сильнее, чем выше температура.
Здесь в строении вещества наблюдается один интересный момент: несмотря на то, что атомы в целом расположены упорядочено, некоторые электроны атомов могут покидать свои места и перемещаться между атомами, — они носят название «свободных электронов». При этом перемещении они движутся беспорядочно, распределяясь равномерно по всей кристаллической решётке таким образом, что сам металл в целом продолжает сохранять свой нейтральный заряд.
При этом нужно учесть, что электроны будут демонстрировать такое поведение только в том случае, если во всех точках вещества температура одинакова. В общем случае, чем выше температура вещества, тем более быстро движутся электроны, и если вещество нагрето неравномерно, то в тех частях, где оно имеет более высокую температуру, движение электронов, соответственно, будет более быстрым.
Также, если мы будем продолжать рассматривать неравномерно нагретый материал, то в таком материале будет наблюдаться такой интересный эффект, что за счёт своего более быстрого движения электроны из более горячих частей будут перетекать в менее нагретые места, при этом замедляясь. Электроны же из менее нагретых мест почти не будут переходить в более нагретые.
Представим, что такая ситуация происходит в неравномерно нагретой металлической проволочке, тогда ввиду активного перетекания электронов из нагретого конца в менее нагретый достаточно быстро возникнет такая ситуация, что в нагретом конце останется слишком мало электронов, которые могли бы уравновесить своим зарядом положительный заряд ядра атома, и это будет выражаться в том, что нагретый конец проволочки приобретёт из-за недостатка электронов положительный заряд, а холодный конец из-за их избытка — отрицательный.
При этом далеко не все электроны перетекли из положительного в отрицательный конец, так как, во-первых, не все электроны являются свободными, а во-вторых, наблюдается следующая картина: так как при таком перетекании горячий конец становится всё более положительно заряженным, а холодный конец всё более отрицательно заряженным, то электронам для перемещения из горячего конца в холодный требуется преодолевать всё возрастающую силу притяжения — с одной стороны, а с другой — силу отталкивания.
Если сказать проще: так как разноимённые заряды притягиваются друг другу, а одноимённые отталкиваются друг от друга, то чем больше электронов в холодном конце, тем сильнее холодный конец сопротивляется притоку новых электронов, в то же время как горячий конец всё сильнее «сопротивляется» оттоку электронов, и каждой новой партии электронов приходится преодолевать эти две разнонаправленные силы, которые уравновешиваются в какой-то момент времени, при данной, неизменной температуре.
Характеризуя эту ситуацию в целом, можно сказать, что при прочих равных условиях, чем больше температура горячего конца отличается от температуры холодного конца, тем больше электронов перетечёт и, соответственно, тем больше будет величина электрического напряжения между концами проволочки.
Существует ещё один нюанс: если такой неравномерно нагретый материал представлен только материалом одного типа, то электрические напряжения между его концами взаимно уравновешиваются и электрического тока не возникнет. В то же время, если спаять друг с другом две проволочки из разных материалов, то электрические напряжения между их концами также будут различны и при нагревании одного из концов такой спаянной пары возникнет электрический ток, направление течения которого будет зависеть от того, из каких материалов составлена эта пара, и какой конец нагрет до более высокой температуры.
Таким образом, если мы собираемся вырабатывать электрический ток с помощью термопары, и нам необходимо поменять полярность течения тока, то нам всего лишь надо перестать нагревать текущий конец и начать нагревать другой.
В то же время, если производить нагрев не концов проволочки, а места спайки, то направление течения тока всегда будет одним и тем же.
В качестве генератора электрического тока могут выступать не только металлы, но и полупроводники, которые отличаются от металлов тем, что практически не проводят электрический ток при низкой, например, комнатной, температуре. В то же время, будучи нагретыми до высоких температур, измеряющихся сотнями градусов, они превращаются в хорошие проводники, ярко демонстрируя термоэлектрический эффект.
При этом поведение электронов в полупроводниках отличается от такого же поведения в металлах: при низких температурах электроны достаточно плотно связаны с атомами и не могут передвигаться в рамках кристаллической решётки, для чего им необходимо придать как бы дополнительный импульс, в качестве которого может выступать повышение температуры.
Полупроводники, которые используются в качестве термогенераторов, изготавливают с примесями, например, с примесью индия.
При нагревании такого полупроводника, как и в рассмотренном выше случае для металлов, у некоторых из атомов отрываются электроны и делают попытку свободного перемещения, но им это сделать не дают примеси (например, названная выше примесь индия), которые захватывают эти электроны, а на том месте, где эти электроны были, остаются так называемые «дырки», при этом процесс возникновения этих дырок более интенсивен в нагретом конце полупроводника (если полупроводник имеет вытянутую форму).
Но эта дырка недолго остаётся свободной — в неё перетекает свободный электрон от следующего атома, который оставляет свободным своё место и т. д. Так как нагретые зоны в веществе не представляют собой дискретные области, а представлены неким градиентом спадания нагрева, то, в случае полупроводника, получается, что дырки распределяются в виде градиента по всей его длине, где большее количество захваченных электронов оказывается в нагретом конце, в то время как в холодном конце оказывается большее количество свободных дырок.
Таким образом, возникает картина, при которой в горячем конце наблюдается избыток электронов, в то время как в холодном конце наблюдается их недостаток.
Поэтому горячий конец заряжается отрицательно, а холодный — положительно (то есть всё наоборот, не так, как у металлов).
Теперь, если оба конца соединить проводником, то по нему потечёт электрический ток.
▍ Термопары и их свойства
Электродвижущая сила термопар обычно очень мала, и может составлять сотые или даже стотысячные доли вольта, тем не менее, соединяя в цепочку множество термопар, можно получить достаточное количество генерируемой электрической энергии для питания конкретного потребителя.
Следует отметить, что у многих термопар электродвижущая сила растёт неравномерно в процессе нагрева места спая. Также существуют термопары, у которых при нагреве места спая сначала происходит быстрый рост электродвижущей силы, а потом замедление этого роста и дальнейшее падение до нуля и ниже со сменой знака.
Например, рассмотрим термопару, представленную спаянными друг с другом проволочками из железа и меди.
При нагреве места спая до 100°С электродвижущая сила составит 0,00113 В, а направление течения тока будет от меди к железу.
Если поднять температуру до 200°С, то электродвижущая сила составит уже 0,00171 В.
Если поднимать температуру дальше, например, до 400°С, то будет наблюдаться падение электродвижущей силы до 0,00120 В.
Если температура поднимется ещё, до 541°С, то электродвижущая сила полностью исчезнет, и при дальнейшем повышении температуры снова возникнет и будет увеличиваться, но направление движения тока будет уже обратным, от железа к меди.
Такая инверсия напряжения наблюдается в термопарах, которые составлены из проводников, в которых напряжение растёт по-разному: сначала до определённой температуры растёт быстрее напряжение в одном металле (из тех двух, из которых составлена термопара), а при превышении какого-то порогового значения начинает быстрее расти в другом металле.
Таким образом, из этого следует вывод, что для создания термопар следует подбирать такие материалы, у которых не происходит замедления роста электродвижущей силы и инверсии направления течения тока с ростом нагрева.
Кроме того, следует подбирать такие материалы, которые обладают наименьшим возможным электрическим сопротивлением, так как при прочих равных условиях и одинаковой электродвижущей силе от материалов с меньшим сопротивлением можно получить больший ток.
При этом для научных целей термопары могут иметь любую стоимость и быть изготовленными, например, из платины, в то время как для рядовых технических применений используются, конечно, более дешёвые варианты.
Например, в качестве материалов термопары могут применяться железо, медь, а если нужна высокая температурная и химическая стойкость — платина и вольфрам. В качестве наиболее часто использующихся сплавов применяют константан, представленный сплавом из 60% меди и 40% никеля.
Кроме того, может применяться хромель (90% никеля и 10% хрома), алюмель (95% никеля и 5% алюминия), нихром (80% никеля и 20% хрома), копель (56% меди и 44% никеля).
Также могут применяться и сплавы платины с иридием и родием, а также сплавы сурьмы и цинка, сурьмы и висмута и ряд других.
Названные выше материалы могут применяться в следующих сочетаниях: медь и константан, железо и константан, нихром и железо, хромель и алюмель. Если температуры очень высокие и превышают 1000°С, то применяется платина с различными сплавами и термопары с использованием вольфрама, молибдена и графита.
При низких же температурах, не превышающих 300°С, могут применяться также термопары из сплавов висмута, сурьмы, цинка.
Термоэлектродвижущая сила у термопар считается как разность потенциалов для проводников, из которых состоит термопара.
Например, предположим, что термопара состоит из двух материалов, у одного из которых разность потенциалов между горячим и холодным концом составляет 2 мв, а у другого проводника составляет -3 мв:
Картинка: А. С. Бернштейн «Термоэлектричество»
Таким образом, термо-э.д.с будет вычисляться как: e = 2 — (-3) = 5 мв, а ток будет протекать в направлении, показанном на рисунке выше стрелкой.
Ниже для справки приведена таблица с термо-э.д.с. для различных материалов, из которых могут быть изготовлены термопары:
Картинка: А. С. Бернштейн «Термоэлектричество»
В более наглядном виде эта информация может быть представлена с помощью построения кривых термоэлектрической способности:
Картинка: А. С. Бернштейн «Термоэлектричество»
Термо-э.д.с., демонстрируемая с помощью этих кривых, представляет собой площадь, ограниченную отрезком конкретной кривой и перпендикулярами, проведёнными к осям температур, для холодного и горячего концов термопары.
Таким образом, например, используя график, можно вычислить, что для термопары, представленной парой железо-константан, у которой температура горячего конца составляет 450°, а холодного — 50°, — термо-э.д.с. будет равна площади многоугольника ABCD и составит 22 мв.
▍ Применение термопар
Термоэлектрический эффект довольно широко используется в технике и может применяться как для выработки электроэнергии питания потребителей, так и для измерения температуры.
Например, известно, что термопары благодаря своей чувствительности позволяют измерять температуру в широком диапазоне значений — от весьма малых до достаточно высоких, например, температуру доменной печи и листьев растений.
Принцип такого измерения является достаточно простым: для этого место соединения двух проводников помещают в область измеряемой температуры, а свободные концы проводников остаются холодными. Таким образом, ток, протекающий через измерительное устройство в цепи, будет зависеть только от температуры двух проводников, образующих термопару.
Кроме этого, термопары могут применяться и в астрономии, для измерения температуры далёких звёзд: термопару помещают в фокусе объектива телескопа, чтобы наблюдаемый размер звезды был не более миллиметра. И этого слабого света достаточно, чтобы возникла термо-э.д.с., которую можно измерить!
Например, с помощью такого метода ещё в 1922 году был впервые произведён замер температуры 16 звёзд, а для измерения применялась термопара из меди и висмута с проволочками, поперечным сечением 0,01 мм и длиной 0,5 мм.
Термопары могут применяться, как уже выше говорилось, и для непосредственной выработки электроэнергии. Для этого большой массив термопар соединяют последовательно, наподобие того, так соединяются батарейки, при этом их место соединения нагревают, а свободные концы дополнительно охлаждают — присоединяют к массивным пластинам из алюминия или меди, чтобы ещё больше охладить и увеличить разницу температур между горячим и холодным концом. Для охлаждения может применяться вода, лёд и другие охлаждающие агенты.
Однако, следует отметить, что они существенно уступают применяющимся методам выработки электроэнергии на электростанциях, где в электроэнергию преобразуется до 30% тепла, получающегося при сгорании топлива, в то время как термоэлектрические генераторы могут преобразовывать в электроэнергию только до 2% подаваемого на них тепла.
Термопары могут применяться и в качестве компактного преобразователя электричества в теплоту/холод — например, такой эффект широко известен у термопар, составленных из полупроводников n-типа и p-типа, сборки из которых известны нам как «элементы Пельтье», часто применяемые как компактные термоэлектрические преобразователи, пропуская электрический ток через которые, происходит поглощение энергии на одной стороне и выделение её на другой (для перехода в высокоэнергетическую зону другого полупроводника электрону надо приобрести энергию), что в итоге приводит к охлаждению одной стороны такого элемента и нагреву другой.
Подытоживая, можно сказать, что термоэлектрический эффект плотно занял своё место в науке и технике, дав людям множество интересных возможностей. С помощью термоэлектрических преобразователей человечество получило возможность добывать электроэнергию в походных условиях, как пример — электростанция «партизанский котелок»:
А также измерять температуру в широких пределах, создавать компактные холодильники без движущихся частей (правда, с очень низким КПД, но тем не менее), широко применяющиеся как в качестве бытовых холодильников для техники и быта, так и нашедшие своё применение в оборонной сфере (мелькала информация, что используются для охлаждения головок теплового самонаведения у одного из типов ракет).
Думается, что в дальнейшем, с развитием науки о материалах, которая безусловно, получит новый толчок с применением ИИ, удастся синтезировать новые материалы, где использование термоэлектрического эффекта может стать ещё более впечатляющим и эффективным.
Для тех, кто заинтересовался термоэлектрическими устройствами, рекомендуется ознакомиться со следующими книгами, где этот эффект рассматривается весьма подробно, со множеством расчётов конкретных конструкций и устройств: А. С. Охотин, А. А. Ефремов, В. С. Охотин, А. С. Пушкарский «Термоэлектрические генераторы», Л. И. Анатычук «Термоэлементы и термоэлектрические устройства».
▍ Список использованных источников
- А. С. Бернштейн «Термоэлектричество».
- А. С. Охотин, А. А. Ефремов, В. С. Охотин, А. С. Пушкарский «Термоэлектрические генераторы».
- Л. И. Анатычук «Термоэлементы и термоэлектрические устройства».
Автор: DAN_SEA
