Termoelektrilised nähtused on füüsikas omaette teema, milles vaadeldakse, kuidas temperatuur võib elektrit toota ja viimane toob kaasa temperatuuri muutuse. Üks esimesi avastatud termoelektrilisi nähtusi oli Seebecki efekt.
Efekti avamise eeldused
Aastal 1797 avastas Itaalia füüsik Alessandro Volta, kes tegi elektrivaldkonnas uurimistööd, ühe hämmastavatest nähtustest: ta avastas, et kui kaks tahket materjali kokku puutuvad, ilmneb kontaktpiirkonnas potentsiaalide erinevus. Seda nimetatakse kontaktide erinevuseks. Füüsiliselt tähendab see asjaolu, et erinevate materjalide kontakttsoonil on elektromotoorjõud (EMF), mis võib põhjustada voolu ilmnemist suletud ahelas. Kui nüüd on kaks materjali ühendatud ühte vooluringi (et moodustada nende vahel kaks kontakti), ilmub neile mõlemale määratud EMF, mis on suuruselt sama, kuid märgilt vastupidine. Viimane selgitab, miks voolu ei genereerita.
EMF-i ilmnemise põhjuseks on Fermi (energia) erinev taseelektronide valentsolekud) erinevates materjalides. Viimaste kokkupuutel Fermi tase ühtlustub (ühes materjalis see väheneb, teises suureneb). See protsess toimub elektronide läbimise tõttu kontakti kaudu, mis viib EMF-i ilmnemiseni.
Tuleb kohe märkida, et EMF väärtus on tühine (suurusjärgus mõni kümnendik voltist).
Thomas Seebecki avastus
Thomas Seebeck (saksa füüsik) viis 1821. aastal, st 24 aastat pärast seda, kui Volt avastas kontaktpotentsiaali erinevuse, järgmise katse. Ta ühendas vismuti ja vase plaadi ning asetas nende kõrvale magnetnõela. Sel juhul, nagu eespool mainitud, voolu ei tekkinud. Kuid niipea, kui teadlane viis põleti leegi kahe metalli ühele kontaktile, hakkas magnetnõel pöörlema.
Nüüd teame, et voolu kandva juhi tekitatud amprijõud põhjustas selle pöörde, kuid tol ajal Seebeck seda ei teadnud, mistõttu eeldas ta ekslikult, et metallide indutseeritud magnetiseerumine toimub temperatuuri mõjul. erinevus.
Selle nähtuse õige seletuse andis mõni aasta hiljem Taani füüsik Hans Oersted, kes tõi välja, et jutt käib termoelektrilisest protsessist ja vool liigub läbi suletud ahela. Sellegipoolest kannab Thomas Seebecki avastatud termoelektriline efekt praegu tema perekonnanime.
Käimasolevate protsesside füüsika
Taaskord materjali konsolideerimiseks: Seebecki efekti põhiolemus on tekitadaelektrivool, mis on tingitud kahe erinevast materjalist kontakti erineva temperatuuri hoidmisest, mis moodustavad suletud ahela.
Et mõista, mis selles süsteemis toimub ja miks vool selles jooksma hakkab, peaksite tutvuma kolme nähtusega:
- Esimest on juba mainitud - see on EMF-i ergastus kontaktpiirkonnas Fermi tasemete joondamise tõttu. Selle taseme energia materjalides muutub temperatuuri tõustes või langedes. Viimane asjaolu toob kaasa voolu ilmnemise, kui ahelas on suletud kaks kontakti (tasakaalutingimused metallide kokkupuutetsoonis erinevatel temperatuuridel on erinevad).
- Laengukandjate liigutamine kuumadest piirkondadest külmadesse. Seda efekti saab mõista, kui meeles pidada, et metallides olevaid elektrone ja pooljuhtide elektrone ja auke võib esimeses lähenduses pidada ideaalseks gaasiks. Nagu teada, suurendab viimane suletud mahus kuumutamisel rõhku. Ehk siis kontakttsoonis, kus temperatuur on kõrgem, on ka elektronide (augu)gaasi "rõhk" kõrgem, mistõttu laengukandjad kipuvad minema materjali külmematesse piirkondadesse ehk siis teise kontakti.
- Lõpuks veel üks nähtus, mis Seebecki efektis voolu ilmnemiseni viib, on fonoonide (võrevõnke) interaktsioon laengukandjatega. Olukord näeb välja nagu fonon, mis liigub kuum alt ristmikult külma ristmikuni, "lööb" elektroni (auku) ja annab sellele lisaenergiat.
Märgistatud kolm protsessiselle tulemusena määratakse voolu esinemine kirjeldatud süsteemis.
Kuidas seda termoelektrilist nähtust kirjeldatakse?
Väga lihtne, selleks võetakse kasutusele teatud parameeter S, mida nimetatakse Seebecki koefitsiendiks. Parameeter näitab, kas EMF väärtus indutseeritakse, kui kontakttemperatuuri erinevus on võrdne 1 Kelviniga (Celsiuse kraad). See tähendab, et võite kirjutada:
S=ΔV/ΔT.
Siin ΔV on vooluahela EMF (pinge), ΔT on temperatuuride erinevus kuuma ja külma ristmiku (kontakttsoonide) vahel. See valem on ainult ligikaudu õige, kuna S sõltub üldiselt temperatuurist.
Seebecki koefitsiendi väärtused sõltuvad kokkupuutuvate materjalide iseloomust. Sellegipoolest võime kindl alt väita, et metallmaterjalide puhul on need väärtused võrdsed ühikute ja kümnete μV/K, pooljuhtide puhul aga sadade μV/K ehk pooljuhtide termoelektriline jõud on suurusjärgu võrra suurem kui metallidel.. Selle põhjuseks on pooljuhtide omaduste tugevam sõltuvus temperatuurist (juhtivus, laengukandjate kontsentratsioon).
Protsessi tõhusus
Üllatav asjaolu soojuse ülekandmisest elektrienergiaks avab suurepärased võimalused selle nähtuse rakendamiseks. Sellegipoolest pole selle tehnoloogilise kasutuse jaoks oluline mitte ainult idee ise, vaid ka kvantitatiivsed omadused. Esiteks, nagu on näidatud, on saadud emf üsna väike. Sellest probleemist saab mööda hiilida, kasutades suure hulga juhtide jadaühendust (mistehakse Peltieri lahtris, mida arutatakse allpool).
Teiseks on küsimus termoelektri tootmise efektiivsuses. Ja see küsimus jääb lahtiseks tänaseni. Seebecki efekti efektiivsus on äärmiselt madal (umbes 10%). See tähendab, et kogu kulutatud soojusest saab kasuliku töö tegemiseks kasutada vaid kümnendikku. Paljud laborid üle maailma püüavad seda efektiivsust tõsta, mida saab teha uue põlvkonna materjalide väljatöötamisega, näiteks nanotehnoloogia abil.
Seebecki avastatud efekti kasutamine
Hoolimata madalast tõhususest leiab see siiski kasutust. Allpool on toodud peamised valdkonnad:
- Termopaar. Seebecki efekti kasutatakse eduk alt erinevate objektide temperatuuride mõõtmiseks. Tegelikult on kahe kontakti süsteem termopaar. Kui on teada selle koefitsient S ja ühe otsa temperatuur, siis ahelas tekkivat pinget mõõtes on võimalik arvutada teise otsa temperatuur. Termopaari kasutatakse ka kiirgusenergia (elektromagnetilise) energia tiheduse mõõtmiseks.
- Elektri tootmine kosmosesondidel. Inimese käivitatud sondid meie päikesesüsteemi uurimiseks või kaugemalegi kasutavad pardal oleva elektroonika toiteks Seebecki efekti. Seda tehakse tänu kiirgustermoelektrilisele generaatorile.
- Seebecki efekti rakendamine kaasaegsetes autodes. BMW ja Volkswagen teatasidnende autodesse ilmuvad termoelektrilised generaatorid, mis kasutavad ära väljalasketorust eralduvate gaaside soojust.
Muud termoelektrilised efektid
On kolm termoelektrilist efekti: Seebeck, Peltier, Thomson. Esimese olemust on juba käsitletud. Mis puudutab Peltieri efekti, siis see seisneb ühe kontakti soojendamises ja teise jahutamises, kui ülalpool käsitletud ahel on ühendatud välise vooluallikaga. See tähendab, et Seebecki ja Peltieri efektid on vastupidised.
Thomsoni efektil on sama olemus, kuid seda käsitletakse sama materjali puhul. Selle olemus on soojuse eraldumine või neeldumine juhi poolt, mille kaudu voolab vool ja mille otsad hoitakse erinevatel temperatuuridel.
Peltieri rakk
Kui räägime Seebecki efektiga termogeneraatori moodulite patentidest, siis loomulikult meenub neile esimene asi Peltieri element. See on kompaktne seade (4x4x0,4 cm), mis on valmistatud järjestikku ühendatud n- ja p-tüüpi juhtmetest. Saate seda ise valmistada. Seebecki ja Peltieri efektid on tema töö keskmes. Pinged ja voolud, millega see töötab, on väikesed (3-5 V ja 0,5 A). Nagu eespool mainitud, on selle töö efektiivsus väga väike (≈10%).
Kasutatakse selliste igapäevaste ülesannete lahendamiseks nagu vee soojendamine või jahutamine kruusis või mobiiltelefoni laadimine.
