Efecto seebeck

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Efecto Seebeck : el fenómeno de la aparición de EMF en los extremos de conductores diferentes conectados en serie , cuyos contactos están a diferentes temperaturas .

El efecto Seebeck también se denomina a veces simplemente efecto termoeléctrico. El efecto inverso al efecto Seebeck se llama efecto Peltier .

Historia

Este efecto fue descubierto en 1821 por T. I. Seebeck . En 1822, publicó los resultados de sus experimentos en el artículo "Sobre la cuestión de la polarización magnética de ciertos metales y minerales que surgen en condiciones de diferencia de temperatura", publicado en los informes de la Academia de Ciencias de Prusia [1] .

Descripción

El efecto Seebeck es que en un circuito cerrado que consta de conductores diferentes, se produce un termo-emf si los puntos de contacto se mantienen a diferentes temperaturas. Un circuito que consta de solo dos conductores diferentes se llama termopar o termopar .

La magnitud de la termo-EMF resultante en la primera aproximación depende solo del material de los conductores y de las temperaturas de los contactos frío ( ) y caliente ( ). $T_{1}$ $T_{2}$

En un rango de temperatura pequeño, termo-EMF puede considerarse proporcional a la diferencia de temperatura: $mi$

E=\alpha _{12}(T_{2}-T_{1}),

donde está la capacidad termoeléctrica del par (o el coeficiente termo-EMF).

{\ estilo de visualización \ alfa _ {12}}

En el caso más simple, el coeficiente termo-EMF está determinado solo por los materiales de los conductores, sin embargo, en el caso general, también depende de la temperatura y, en algunos casos, cambia de signo con la temperatura. ${\ estilo de visualización \ alfa _ {12}}$

Una expresión más correcta para termo-emf:

{\mathcal {E}}=\int \limits _{T_{1}}^{T_{2}}\alpha _{12}(T)dT.

El valor de termo-EMF es de unos pocos milivoltios por cada 100 °C de diferencia de temperatura entre las uniones. Por ejemplo, un par de cobre-constantán da 4,28 mV/100 °C, cromel-alumel - 4,1 mV/100 °C [2] .

Explicación del efecto

La aparición del efecto Seebeck es causada por varios componentes.

Diferencia de potencial de volumen

Si hay un gradiente de temperatura a lo largo del conductor, entonces los electrones en el extremo caliente adquieren energías y velocidades más altas que en el extremo frío; en los semiconductores , además de esto, la concentración de electrones de conducción aumenta con la temperatura. El resultado es un flujo de electrones desde el extremo caliente al extremo frío. Una carga negativa se acumula en el extremo frío , mientras que una carga positiva no compensada permanece en el extremo caliente. El proceso de acumulación de carga continúa hasta que la diferencia de potencial resultante provoca un flujo de electrones en dirección opuesta, igual a la primaria, por lo que se establece el equilibrio.

EMF, cuya aparición se describe mediante este mecanismo, se denomina EMF de volumen .

Diferencia de potencial de contacto

La diferencia de potencial de contacto es causada por la diferencia en las energías de Fermi de los diferentes conductores en contacto. Cuando se crea un contacto , los potenciales químicos de los electrones se vuelven iguales y surge una diferencia de potencial de contacto:

U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e)),

donde esta la energia de fermi

F

mi

es la carga de un electrón .

En el contacto, por lo tanto, hay un campo eléctrico localizado en una capa delgada de contacto cercano. Si hace un circuito cerrado de dos metales, aparece U en ambos contactos. El campo eléctrico se dirigirá de la misma manera en ambos contactos, desde el F más grande al más pequeño. Esto significa que si realiza una derivación a lo largo de un circuito cerrado, en un contacto la derivación ocurrirá a lo largo del campo y en el otro, contra el campo. La circulación del vector E será así igual a cero.

Si la temperatura de uno de los contactos cambia en dT , como la energía de Fermi depende de la temperatura, U también cambiará. Pero si la diferencia de potencial del contacto interno ha cambiado, entonces el campo eléctrico en uno de los contactos ha cambiado y, por lo tanto, la circulación del vector E será distinta de cero, es decir, aparece un EMF en un circuito cerrado.

Esta fem se llama fem de contacto .

Si ambos contactos del termoelemento están a la misma temperatura, tanto el contacto como el termo-EMF a granel desaparecen.

Arrastre de fonones

Si hay un gradiente de temperatura en un sólido, entonces el número de fonones que se mueven desde el extremo caliente al frío será mayor que en la dirección opuesta. Como resultado de las colisiones con los electrones, los fonones pueden arrastrar a estos últimos con ellos, y se acumulará una carga negativa en el extremo frío de la muestra (carga positiva en el extremo caliente) hasta que la diferencia de potencial resultante equilibre el efecto de arrastre.

Esta diferencia de potencial es el tercer componente de termo-EMF, que a bajas temperaturas puede ser decenas y cientos de veces mayor que las consideradas anteriormente.

La locura de Magnon

En los imanes , se observa un componente termo-EMF adicional, debido al efecto del arrastre de electrones por parte de los magnones .

Uso

Véase también

Enlaces

Video: efecto Seebeck (termopar) // Canal oficial NRNU MEPhI @Youtube (11 de noviembre de 2015).
Las baterías son cosa del pasado: el nuevo material genera electricidad a partir del calor // Hi-Tech News @Mail.ru (noviembre de 2019).

Notas

↑ Termoelectricidad, efecto Peltier, efecto Seebeck (enlace inaccesible)
↑ Kuhling H. Manual de física. - M.: Mir. - 1982. - S. 374-375.