Термоэлектрические явления и их применение¶

Термоэлектрика — раздел физики, изучающий взаимосвязь тепловых и электрических процессов в проводниках и полупроводниках, а также совокупность явлений, при которых разность температур преобразуется в электрическое напряжение и наоборот. К таким явлениям относят эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона. Практическое значение термоэлектрики связано с созданием устройств прямого преобразования тепла в электроэнергию и твердотельных холодильников, не содержащих движущихся частей и хладагентов.

¶История открытия

Первое термоэлектрическое явление обнаружил в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек. Он установил, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при разной температуре мест их соединения возникает электрический ток. Сам Зеебек неверно объяснил эффект через магнетизм, однако позднее была доказана его электрическая природа.

В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье описал обратное явление: при протекании тока через контакт двух разных проводников один спай нагревается, а другой охлаждается. В 1851 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) теоретически предсказал и подтвердил третий эффект — выделение или поглощение тепла в однородном проводнике с током при наличии градиента температуры.

Существенный вклад в теорию внёс в 1909–1911 годах немецкий учёный Эдмунд Альтенкирх, сформулировавший условия эффективного использования термоэлектрических материалов. В 1929 году советский физик Абрам Иоффе обосновал возможность применения полупроводников вместо металлов, что резко повысило практическую отдачу термоэлектрических устройств.

¶Основные эффекты

¶Эффект Зеебека

Если спаи двух разнородных материалов находятся при разных температурах, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Величина ЭДС пропорциональна разности температур и зависит от свойств материалов. На этом эффекте основана работа термопар — датчиков температуры и термоэлектрических генераторов.

¶Эффект Пельтье

При пропускании тока через контакт двух материалов тепло поглощается на одном спае и выделяется на другом. Направление переноса тепла зависит от направления тока, что позволяет создавать как охлаждающие, так и нагревательные устройства с обратимым режимом работы.

¶Эффект Томсона

В однородном проводнике с градиентом температуры при протекании тока происходит дополнительное выделение или поглощение тепла, не связанное с джоулевым нагревом. Этот эффект учитывается при точных расчётах термоэлектрических цепей.

Все три явления связаны между собой соотношениями Томсона, что отражает единую термодинамическую природу термоэлектричества.

¶Материалы и характеристики

Эффективность термоэлектрического преобразования определяется безразмерной величиной ZT — термоэлектрической добротностью:

ZT = (S²σ / κ) · T,

где S — коэффициент Зеебека, σ — электропроводность, κ — теплопроводность, T — абсолютная температура. Чем выше добротность, тем эффективнее материал. Оптимальное сочетание высокой электропроводности и низкой теплопроводности достигается в полупроводниках, а не в металлах.

Основные классы материалов:

• Низкотемпературные (до 500 К): теллурид висмута Bi₂Te₃, применяется в охладителях и бытовых устройствах.
• Среднетемпературные (500–900 К): теллурид свинца PbTe, используется в генераторах.
• Высокотемпературные (свыше 900 К): кремний-германиевые сплавы, применяются в космических энергоустановках.

Типичные значения ZT для лучших промышленных материалов составляют 0,8–1,2. Лабораторные образцы с наноструктурированием достигают ZT около 2–3, однако их массовое производство остаётся сложным и дорогим.

¶Применение

¶Термоэлектрические генераторы

Прямое преобразование тепла в электричество используется там, где важны надёжность и отсутствие обслуживания. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) питали космические аппараты, включая советские «Луноходы» и американские зонды серии «Вояджер». В России РИТЭГ применялись для автономного электроснабжения маяков и навигационных знаков; впоследствии от их массового использования отказались из-за радиационной опасности. Термоэлектрические генераторы также утилизируют попутное тепло двигателей и промышленных печей.

¶Охлаждающие устройства

Термоэлектрические холодильники (элементы Пельтье) применяются в портативных автомобильных холодильниках, охлаждении электронных компонентов, лазеров и фотоприёмников, а также в медицинских и лабораторных приборах, где требуется точный контроль температуры без вибраций и хладагентов.

¶Метрология и датчики

Термопары на основе эффекта Зеебека служат основным средством измерения температуры в промышленности, металлургии и научных исследованиях. Они работают в широком диапазоне температур, дёшевы и устойчивы к агрессивным средам.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам термоэлектрических устройств относят отсутствие движущихся частей, компактность, бесшумность, длительный срок службы, возможность работы в любом пространственном положении и точную обратимость режимов. Эти свойства особенно важны для космической техники, удалённых объектов и прецизионных приборов.

Основной недостаток — низкий КПД: у лучших генераторов он составляет 5–10 %, что существенно уступает паротурбинным и компрессорным установкам. Это ограничивает применение термоэлектрики областью малых мощностей и особых условий эксплуатации. Дополнительные сложности связаны с дефицитностью и стоимостью теллура, висмута и других компонентов.

¶Современное состояние и перспективы

Исследования направлены на повышение добротности материалов за счёт наноструктурирования, создания слоистых и композитных структур, а также на поиск дешёвых и распространённых элементов. Развиваются гибкие термоэлектрические плёнки для носимой электроники, устройства сбора энергии из окружающей среды. В России работы в этой области ведутся в институтах Российской академии наук и технических университетах, в том числе по материалам для космической и радиоэлектронной промышленности.

Источники: учебники по общей физике, работы А. Ф. Иоффе по полупроводниковой термоэлектрике, обзорные публикации по термоэлектрическим материалам и устройствам.