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热能可以转换为电能?此前认为不可能实现

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CDer:001118329
发表于 2019-10-9 12:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 猫管狗事 于 2019-10-9 12:51 编辑

转自新浪探索 ---  我觉得好神奇

https://tech.sina.com.cn/d/i/2019-09-30/doc-iicezueu9264349.shtml?cre=tianyi&mod=pctech&loc=6&r=25&rfunc=41&tj=none&tr=25


新浪科技讯 9月30日消息,据国外媒体报道,一支由多国科学家组成的研究团队找到了一种捕捉热能、并将其转化为电能的方法,能够利用汽车尾气、行星际太空探测器和工业生产过程中的热能,实现更高的能量转化率。

  科学家指出,借助这项研究,我们将能够利用热能生产出更多的电能。而在此之前,科学家都认为这是不可能实现的。

  该研究以一种名叫“顺磁磁振子”(paramagnons)的微粒子为基础,这种粒子严格来说并不是磁铁,但带有一定的磁通量。这一点很重要,因为磁铁在加热后便会失去磁性,变成“顺磁”。磁振子自旋会产生一种名叫“磁振子曳引热电”的能量。但自从发现该现象以来,科学家始终没能在室温下利用该效应收集能量。

  参与此次研究的科学家指出:“人们过去认为,顺磁加热后不会发生任何变化,但我们发现事实并非如此。我们找到了一种设计热电半导体的新方法,可以利用这种材料将热能转化为电能。过去20年间发现的传统热电效应效率太低,转化的能量太少,因此并未得到广泛使用。而我们的发现将改变这一局面。”

  磁铁是采集热能的关键:当磁铁一面被加热时,温度较低的另一面便会获得更多磁性,产生自旋,从而推动磁铁中的电子、产生电流。

  但矛盾在于,磁铁受热时会损失大部分磁性,变成顺磁,即“差不多是磁铁,但严格来说不算磁铁”。因此在此次研究之前,从没有人想过用顺磁收集热能,因为科学家们认为顺磁无法收集能量。而此次研究团队发现,顺磁磁振子能够将电子推动10-15秒,足以让顺磁收集到足够的能量了。

  研究人员们先是测试了顺磁磁振子能否在合适的条件下产生必需的自旋,结果发现,顺磁磁振子的确能产生推动电子运动所需的自旋。这样一来,顺磁就可以收集能量了。

  参与此次研究的科学家们包括美国俄亥俄州立大学、北卡罗来纳州立大学和中国科学院的研究人员。该研究与美国能源部橡树岭国家实验室联合开展,并得到了美国国家科学基金会、美国空军科学研究办公室、以及美国能源部的支持。
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 楼主| 发表于 2019-10-9 12:51 | 显示全部楼层

RE: 热能可以转换为电能?此前认为不可能实现

进展|磁性热电半导体耦合输运研究取得重要进展

http://baijiahao.baidu.com/s?id=1645617817247054993&wfr=spider&for=pc

在传统的基于自由电子扩散的热电输运中,塞贝克系数α电子的化学势μ对外加温度梯度的微分(α≡-μ/T),α等同于电子的熵。电子是费米子,受泡利不相容原理制约,其自由度非常有限。因此,电子的α可以用Mott公式表示:

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这里,σ(E)是电子电导率,E, σ, kB, e分别是电子能量,电导率,玻尔兹曼常数和元电荷。在电子浓度足够高时,材料表现出较好的电导率,σ(E)几乎不随能量变化,塞贝克系数α则非常小。与费米子相反,波色子不受泡利不相容原理的限制,玻色子(其统计分布函数也由化学势和温度表示)的塞贝克系数α可表达为:

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这里C是热容,n是粒子的密度。即波色子的α是每个粒子的比热容,不取决于粒子的数量。因此,如果可以利用热电材料的温度梯度来驱使玻色子,比如铁磁体和反铁磁体中的磁振子(热驱动的自旋进动有着和晶格相同的周期性,这种周期性的相干波被称为磁振子),然后让磁振子通过电子-电子(s-d)相互作用进一步作用于导电电子,这将产生非常规热电效应。这种相互作用正是自旋塞贝克效应和磁振子曳引效应的根源。近来,定量化的磁振子曳引效应理论在金属铁、钴、镍材料中已获得验证,该理论表明磁振子曳引产生的热电势比传统金属的热电势高出1到2个数量级。这是迄今唯一一个自旋效应热电势远大于电子效应的实例,其原因就在于熵的论据。由此,深入探究磁有序材料中传导电子与磁化强度的热涨落,即磁振子或顺磁体磁振子(para-magnons)的基本相互作用,将自旋作为一个新的自由度来打破塞贝克系数(α)和电导率的耦合关系,进而提高热电材料输运性能,是当前热电输运研究的一个热点。

自2017年以来,由中科院物理所赵怀周研究员、美国Ohio State University的Joseph Heremans教授、North Carolina State University的Daryoosh Vashaee教授、以及ORNL的Raphael P. Hermann博士组成的合作团队在反铁磁MnTe材料热电磁耦合输运研究方面取得重要成果,首次将上述磁曳引热电势理论延伸至磁有序之外的顺磁态MnTe,从而拓宽了可以通过自旋效应提高热电材料性能的渠道(见示意图一)。实验及理论模拟发现,与磁有序态相同,顺磁态MnTe的磁振子曳引塞贝克系数依然遵循如下关系式:

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这里,Cm是磁振子的比热容,ne是传导电子的密度(在金属中通常是s和p电子)。

研究团队在Li掺杂的Mn1-xLixTe(x=0~0.06)系列材料中,首次发现磁振子曳引热电势可以延伸至高温顺磁态并达到3倍尼尔温度处(3×TN),且曳引热电势强度随样品中载流子浓度增加而降低(图二)。磁比热容分析(图三(B)),以及经由Hall测试所得的有关样品的载流子迁移率和弛豫时间数据(图三(B),(D)),结合中子散射实验结果(图四),证实了MnTe反铁磁体中短程有序的局域磁化在高于磁性转变温度(居里温度或奈尔温度)时依然存在,并且通过对电子的曳引作用贡献额外热电势。基于以上实验结果,团队首次提出顺磁拖曳热电势理论模型:同铁磁体和反铁磁体中的磁振子一样,顺磁体中热驱动的局域磁化强度的涨落会和电子相互作用。这种涨落(我们称之为顺磁磁振子,paramagnons)会和磁振子一样对温度梯度敏感,显示出局域的磁有序和有限的寿命。由于驱动磁振子的电子-电子相互作用(s-d相互作用)探测到的是在10-13秒或更短的时间尺度下的磁结构,在这个时间尺度下,顺磁磁振子和磁振子同样可以对电子施加类似流体动力的曳引作用,从而极大地提高热电势。基于实验测量得到的磁比热容、载流子寿命和浓度,以及顺磁磁振子的寿命和自旋空间关联长度等参数(图四(F)),计算拟合得到理论热电势与实验测量数据完全吻合(图二),证实了顺磁拖曳热电势理论模型的正确性。

这项成果首次在高温磁性半导体热电材料中发现并确认顺磁拖曳热电势效应,丰富了人们对于磁热电耦合输运理论的认识,对发现新型磁热电材料有重要启发意义。相关论文近日发表于Science开源子刊Science Advances, 文章链接。

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图一:磁振子是单个原子自旋热涨落产生的格波,它可沿热梯度方向对导电电子产生曳引作用,从而对热电势作出贡献;而在顺磁态下,局域化的热涨落则形成小的磁振子波包,同样贡献热电势;传统的顺磁体则不产生曳引热电势。

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图二:Li掺杂样品Mn0.99Li0.01Te、Mn0.97Li0.03Te、Mn0.94Li0.06Te的温度Seeebeck系数曲线,理论计算值与测量值吻合。在低温渐进至尼尔温度TN =310K处磁振子有明显贡献,对应于此处的磁拖曳热电势αMD。测量温度范围中,发现材料同时存在自由电子扩散αD、声子拖曳、磁拖曳,以及新发现的顺磁拖曳热电势效应Δα(延伸至3×TN)。

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图三:通过Hall测量得到的有关样品的变温载流子浓度曲线(A),样品Mn0.94Li0.06Te的比热容分析,黑色圆点显示测量值,低温部分虚线显示电子比热容,在Dulong-Petit高温极限条件下,可利用Debye模型拟合计算出声子比热容,测量数据与声子和电子比热容之和之间的差值即为自旋部分的比热容贡献(B),样品载流子变温迁移率曲线(C),样品载流子寿命变温曲线(D)。

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图四,非弹性中子散射结果:图(A-D)显示3%Li掺杂MnTe样品的S(Q,E)色散关系,其中(A)对应反铁磁相,(B-D)对应顺磁相。图(E)显示反铁磁相的高分辨S(Q,E)色散关系,发现具有低能散射特征以及一个在Q=0.92-1处的约0.6meV的赝能隙存在。图(G)显示系列样品的S(Q,E)色散关系在0.82-1.02-1的切面,可见加入弹性模型后与实验数据吻合较好。通过对图(G)数据进行拟合可以得到顺磁磁振子在350-450K之间的能量半高宽和寿命,如图(F)所示。

上述工作得到国家自然科学基金(51572287)和基金委-广东联合重点基金(U1601213)的支持。
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CDer:001118329
 楼主| 发表于 2019-10-9 12:51 | 显示全部楼层
很想搞清楚到底是什么原理能把热能转换成电能,但没能成功,还是没搞懂。

有没有哪位大佬用简单通俗点的语言表达一下?

这项发明不再是什么苹果偶然掉在头上想出来的了,纯粹是根据计算公式推演出来的科技发明。有点类似电冰箱的发明,完全是靠知识堆积出来的奇迹。
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CDer:001112231
发表于 2019-10-9 13:02 | 显示全部楼层
这是革命性的
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CDer:000073223
发表于 2019-10-9 13:32 | 显示全部楼层
不知道这个东东在高温状态的效率怎么样,能不能直接将热能变成电能。比如偶们的潜艇上面如果能够用上这种直接发电的东东,直接用将反应堆的热量变成电能,就不需要运动部件了
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CDer:001123668
发表于 2019-10-9 14:00 | 显示全部楼层
同位素核电池不就是把热能转换成电能,神特么不能
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CDer:000134242
发表于 2019-10-9 14:06 | 显示全部楼层

RE: 热能可以转换为电能?此前认为不可能实现

剑演天下 发表于 2019-10-9 14:00
同位素核电池不就是把热能转换成电能,神特么不能


同位素是用热电效应或光电效应
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CDer:001122887
发表于 2019-10-9 14:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 xiaomaer100 于 2019-10-9 14:50 编辑

要消灭蒸汽机的节奏,那可是改变世界的大事,到处都是核动力
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CDer:000173757
发表于 2019-10-9 15:09 | 显示全部楼层
不是有半导体发电么?那个是不是直接从热能转换成电能?
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CDer:000360244
发表于 2019-10-9 15:40 | 显示全部楼层
汽轮机厂可以关门了
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CDer:001156724
发表于 2019-10-9 17:42 超大游击队员 | 显示全部楼层

Re.热能可以转换为电能?此前认为不可能实现

最终还是要看热效率的
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CDer:001091746
发表于 2019-10-9 22:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 123456921 于 2019-10-9 22:42 编辑

好技术啊,加快研究吧。

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CDer:000019606
发表于 2019-10-10 10:26 | 显示全部楼层

RE: 热能可以转换为电能?此前认为不可能实现

cys218 发表于 2019-10-9 13:32
不知道这个东东在高温状态的效率怎么样,能不能直接将热能变成电能。比如偶们的潜艇上面如果能够用上这种直 ...

如果效率可以的话那是革命性的啊,彻底解决了核潜艇汽轮机噪声问题,真正的大洋黑洞。
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CDer:001118429
发表于 2019-10-11 01:19 | 显示全部楼层

RE: 热能可以转换为电能?此前认为不可能实现

猫管狗事 发表于 2019-10-9 12:51
很想搞清楚到底是什么原理能把热能转换成电能,但没能成功,还是没搞懂。

有没有哪位大佬用简单通俗点的 ...

你知道电磁转换的关系吗,你知道麦克斯韦电磁方程吗,这个研究的核心就是热能转化为磁振子曳引效应产生电流
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CDer:000177120
发表于 2019-10-11 11:10 超大游击队员 | 显示全部楼层
这个革命性不亚于超导
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