Термоэлектрические явления

Основные понятия

Термоэлектрические явления — это процессы преобразования тепловой энергии в электрическую и обратно, основанные на взаимодействии теплового и электрического потоков в материале.

Три основных эффекта термоэлектричества

  1. Эффект Зеебека

При наличии градиента температуры в проводнике возникает электродвижущая сила, вызывающая появление напряжения. Этот эффект лежит в основе генерации термоэлектрического тока.

  • Коэффициент Зеебека $S = - \frac{\Delta V}{\Delta T}$ характеризует напряжение, возникающее на единицу температуры.
  • Знак и величина коэффициента зависят от типа носителей заряда (электроны или дырки) и особенностей электронной структуры.
  1. Эффект Пельтье

При прохождении электрического тока через контакт двух различных материалов происходит поглощение или выделение тепла в области контакта.

  • Используется для создания термоэлектрических охладителей и нагревателей.
  • Интенсивность эффекта пропорциональна силе тока и величине коэффициента Пельтье.
  1. Эффект Томсона

В однородном проводнике при наличии температурного градиента и прохождении тока происходит либо поглощение, либо выделение тепла по длине проводника.

  • Этот эффект является дополнительным к эффектам Зеебека и Пельтье, но не требует наличия контактов между разными материалами.

Физика термоэлектрических процессов

Термоэлектрический эффект обусловлен переносом энергии носителями заряда, которые одновременно переносят заряд и тепловую энергию. В классическом представлении важную роль играют:

  • Энергетическое распределение носителей (электронов или дырок).
  • Скорость рассеяния носителей на дефектах, фононах и других носителях.
  • Электропроводность и теплопроводность материала.

Оптимизация термоэлектрических свойств связана с увеличением коэффициента Зеебека, снижением теплопроводности и сохранением высокой электропроводности.

Материалы с хорошими термоэлектрическими свойствами

  • Тяжёлые металлы и полупроводники с узкой запрещённой зоной (например, Bi2Te3, PbTe, Sb2Te3).
  • Композиты и структуры с наноразмерными включениями для рассеяния фононов и снижения теплопроводности.
  • Высокотемпературные термоэлектрики на основе оксидов.

Фигуры эффективности

Ключевая характеристика термоэлектрического материала — безразмерный параметр эффективности ZT:

$$ ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa} $$

где

  • S — коэффициент Зеебека,
  • σ — электропроводность,
  • T — абсолютная температура,
  • κ — теплопроводность.

Для практического применения ZT должен быть максимально высоким, обычно ZT > 1 считается хорошим показателем.

Нанофизика в термоэлектрических материалах

Наноструктурирование позволяет значительно повысить эффективность термоэлектриков за счёт:

  • Уменьшения теплопроводности за счёт рассеяния фононов на границах зерен.
  • Контроля электронной структуры для увеличения коэффициента Зеебека.
  • Создания гибридных систем с улучшенными характеристиками.

Применения термоэлектрических материалов

  • Генерация электричества из отходящего тепла промышленных процессов, автомобилей.
  • Создание компактных и надежных охладителей без движущихся частей.
  • В космических аппаратах для преобразования тепловой энергии радиоактивного распада в электричество.

Методы исследования термоэлектрических свойств

  • Измерение коэффициентов Зеебека и Пельтье при различных температурах.
  • Исследование термоэлектрического тока и напряжения.
  • Анализ теплопроводности с помощью лазерной флеш-методики и других оптических методов.
  • Моделирование электронных и фононных процессов.
Оглавление