Termoelektriske fenomener er et eget tema i fysikk, der de tar for seg hvordan temperatur kan generere elektrisitet, og sistnevnte fører til en endring i temperaturen. Et av de første oppdagede termoelektriske fenomenene var Seebeck-effekten.
Forutsetninger for å åpne effekten
I 1797 oppdaget den italienske fysikeren Alessandro Volta, som forsket innen elektrisitet, et av de fantastiske fenomenene: han oppdaget at når to faste materialer kommer i kontakt, oppstår en potensiell forskjell i kontaktområdet. Det kalles kontaktforskjellen. Fysisk betyr dette faktum at kontaktsonen til forskjellige materialer har en elektromotorisk kraft (EMF) som kan føre til at det oppstår en strøm i en lukket krets. Hvis nå to materialer er koblet i en krets (for å danne to kontakter mellom dem), vil den angitte EMF vises på hver av dem, som vil være den samme i størrelse, men motsatt i fortegn. Sistnevnte forklarer hvorfor det ikke genereres strøm.
Årsaken til utseendet til EMF er et annet nivå av Fermi (energivalenstilstander for elektroner) i forskjellige materialer. Når sistnevnte kommer i kontakt flater Fermi-nivået ut (i ett materiale synker det, i et annet øker det). Denne prosessen skjer på grunn av passasje av elektroner gjennom kontakten, noe som fører til utseendet til en EMF.
Det bør bemerkes med en gang at EMF-verdien er ubetydelig (i størrelsesorden noen få tideler av en volt).
Oppdagelse av Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (tysk fysiker) i 1821, det vil si 24 år etter oppdagelsen av kontaktpotensialforskjellen av Volt, utførte følgende eksperiment. Han koblet sammen en plate med vismut og kobber, og plasserte en magnetnål ved siden av dem. I dette tilfellet, som nevnt ovenfor, oppsto ingen strøm. Men så snart forskeren brakte brennerens flamme til en av kontaktene til de to metallene, begynte magnetnålen å snu.
Nå vet vi at Ampère-kraften skapt av den strømførende lederen fikk den til å snu, men på det tidspunktet visste ikke Seebeck dette, så han antok feilaktig at den induserte magnetiseringen av metaller skjer som et resultat av temperaturen forskjell.
Riktig forklaring på dette fenomenet ble gitt noen år senere av den danske fysikeren Hans Oersted, som påpekte at vi snakker om en termoelektrisk prosess, og en strøm går gjennom en lukket krets. Ikke desto mindre bærer den termoelektriske effekten oppdaget av Thomas Seebeck for tiden etternavnet hans.
Fysikk av pågående prosesser
Nok en gang for å konsolidere materialet: essensen av Seebeck-effekten er å indusereelektrisk strøm som et resultat av å opprettholde forskjellige temperaturer på to kontakter av forskjellige materialer, som danner en lukket krets.
For å forstå hva som skjer i dette systemet, og hvorfor det begynner å gå strøm i det, bør du gjøre deg kjent med tre fenomener:
- Den første er allerede nevnt - dette er eksitasjonen av EMF i kontaktområdet på grunn av justeringen av Fermi-nivåene. Energien til dette nivået i materialer endres når temperaturen stiger eller synker. Sistnevnte faktum vil føre til at det oppstår en strøm hvis to kontakter er lukket i en krets (likevektsforholdene i kontaktsonen for metaller ved forskjellige temperaturer vil være forskjellige).
- Prosessen med å flytte ladebærere fra varme til kalde områder. Denne effekten kan forstås hvis vi husker at elektroner i metaller og elektroner og hull i halvledere kan i den første tilnærmingen betraktes som en ideell gass. Som kjent øker sistnevnte, når den varmes opp i et lukket volum, trykket. Med andre ord, i kontaktsonen, hvor temperaturen er høyere, er "trykket" til elektron(hull)gassen også høyere, så ladningsbærere har en tendens til å gå til kaldere områder av materialet, det vil si til en annen kontakt.
- Til slutt, et annet fenomen som fører til at det oppstår strøm i Seebeck-effekten, er samspillet mellom fononer (gittervibrasjoner) med ladningsbærere. Situasjonen ser ut som en fonon som beveger seg fra et varmt veikryss til et kaldt veikryss, "treffer" et elektron (hull) og gir det ekstra energi.
Merket tre prosessersom et resultat blir forekomsten av strøm i det beskrevne systemet bestemt.
Hvordan beskrives dette termoelektriske fenomenet?
Veldig enkelt, for dette introduserer de en viss parameter S, som kalles Seebeck-koeffisienten. Parameteren viser om EMF-verdien induseres hvis kontakttemperaturforskjellen holdes lik 1 Kelvin (grad Celsius). Det vil si at du kan skrive:
S=ΔV/ΔT.
Her er ΔV EMF for kretsen (spenning), ΔT er temperaturforskjellen mellom varme og kalde overganger (kontaktsoner). Denne formelen er bare tilnærmet korrekt, siden S generelt avhenger av temperaturen.
Verdiene til Seebeck-koeffisienten avhenger av naturen til materialene som er i kontakt. Likevel kan vi definitivt si at for metalliske materialer er disse verdiene lik enheter og titalls μV/K, mens de for halvledere er hundrevis av μV/K, det vil si at halvledere har en størrelsesorden større termoelektrisk kraft enn metaller. Grunnen til dette er en sterkere avhengighet av egenskapene til halvledere av temperatur (ledningsevne, konsentrasjon av ladningsbærere).
Prosesseffektivitet
Det overraskende faktum med overføring av varme til elektrisitet åpner for store muligheter for anvendelse av dette fenomenet. Ikke desto mindre, for dens teknologiske bruk, er ikke bare ideen i seg selv viktig, men også kvantitative egenskaper. For det første, som det er vist, er den resulterende emf ganske liten. Dette problemet kan omgås ved å bruke en seriekobling av et stort antall ledere (somgjøres i Peltier-cellen, som vil bli diskutert nedenfor).
For det andre er det et spørsmål om termoelektrisitetsgenerering. Og dette spørsmålet er åpent den dag i dag. Effektiviteten til Seebeck-effekten er ekstremt lav (ca. 10%). Det vil si at av all varmen som brukes, kan bare en tiendedel av den brukes til å utføre nyttig arbeid. Mange laboratorier rundt om i verden prøver å øke denne effektiviteten, noe som kan gjøres ved å utvikle ny generasjons materialer, for eksempel ved å bruke nanoteknologi.
Bruker effekten oppdaget av Seebeck
Til tross for lav effektivitet, finner den fortsatt sin bruk. Nedenfor er hovedområdene:
- Termoelement. Seebeck-effekten er vellykket brukt til å måle temperaturen til forskjellige objekter. Faktisk er et system med to kontakter et termoelement. Hvis koeffisienten S og temperaturen til en av endene er kjent, er det mulig å beregne temperaturen til den andre enden ved å måle spenningen som oppstår i kretsen. Termoelementer brukes også til å måle tettheten til strålingsenergi (elektromagnetisk).
- Generering av elektrisitet på romsonder. Menneskeutsatte sonder for å utforske solsystemet vårt eller utover, bruker Seebeck-effekten til å drive elektronikken om bord. Dette gjøres takket være en termoelektrisk strålingsgenerator.
- Anvendelse av Seebeck-effekten i moderne biler. BMW og Volkswagen annonsertutseendet i bilene deres av termoelektriske generatorer som vil bruke varmen fra gasser som slippes ut fra eksosrøret.
Andre termoelektriske effekter
Det er tre termoelektriske effekter: Seebeck, Peltier, Thomson. Essensen av den første har allerede blitt vurdert. Når det gjelder Peltier-effekten, består den av å varme opp den ene kontakten og avkjøle den andre, hvis kretsen diskutert ovenfor er koblet til en ekstern strømkilde. Det vil si at Seebeck- og Peltier-effektene er motsatte.
Thomson-effekten har samme natur, men den vurderes på samme materiale. Dens essens er frigjøring eller absorpsjon av varme fra en leder som strømmer gjennom og hvis ender holdes ved forskjellige temperaturer.
Peltier cell
Når vi snakker om patenter på termogeneratormoduler med Seebeck-effekten, så er det selvsagt Peltier-cellen det første de husker. Det er en kompakt enhet (4x4x0,4 cm) laget av en serie n- og p-type ledere koblet i serie. Du kan lage det selv. Seebeck- og Peltier-effektene er kjernen i arbeidet hennes. Spenningene og strømmene den fungerer med er små (3-5 V og 0,5 A). Som nevnt ovenfor er effektiviteten av arbeidet svært liten (≈10%).
Den brukes til å løse dagligdagse oppgaver som å varme eller kjøle ned vann i et krus eller lade opp en mobiltelefon.
