Termoelektriniai reiškiniai yra atskira fizikos tema, kurioje jie svarsto, kaip temperatūra gali generuoti elektrą, o pastaroji lemia temperatūros pokyčius. Vienas iš pirmųjų atrastų termoelektrinių reiškinių buvo Seebecko efektas.
Būtinės sąlygos norint atidaryti efektą
1797 m. italų fizikas Alessandro Volta, atlikdamas tyrimus elektros srityje, atrado vieną iš nuostabių reiškinių: jis atrado, kad susiliečiant dviem kietoms medžiagoms kontaktinėje srityje atsiranda potencialų skirtumas. Jis vadinamas kontaktų skirtumu. Fiziškai šis faktas reiškia, kad skirtingų medžiagų kontaktinė zona turi elektrovaros jėgą (EMF), dėl kurios uždaroje grandinėje gali atsirasti srovė. Jei dabar dvi medžiagos yra sujungtos į vieną grandinę (kad tarp jų susidarytų du kontaktai), tada ant kiekvienos iš jų atsiras nurodytas EMF, kuris bus vienodo dydžio, bet priešingas ženklu. Pastarasis paaiškina, kodėl negeneruojama srovė.
EML atsiradimo priežastis yra skirtingas Fermi (energijos) lygiselektronų valentinės būsenos) įvairiose medžiagose. Pastariesiems susilietus Fermi lygis išsilygina (vienoje medžiagoje sumažėja, kitoje didėja). Šis procesas vyksta dėl elektronų praėjimo per kontaktą, dėl kurio atsiranda EML.
Reikėtų iš karto pastebėti, kad EML reikšmė yra nereikšminga (apie kelias dešimtąsias voltų).
Thomo Seebecko atradimas
Thomas Seebeck (vokiečių fizikas) 1821 m., tai yra, praėjus 24 metams po to, kai Voltas atrado kontaktinio potencialo skirtumą, atliko tokį eksperimentą. Jis sujungė bismuto ir vario plokštelę, o šalia jų padėjo magnetinę adatą. Šiuo atveju, kaip minėta aukščiau, nebuvo jokios srovės. Tačiau kai tik mokslininkas nukreipė degiklio liepsną prie vieno iš dviejų metalų kontaktų, magnetinė adata pradėjo suktis.
Dabar žinome, kad srovės laidininko sukurta Ampero jėga privertė jį pasisukti, tačiau tuo metu Seebeckas to nežinojo, todėl jis klaidingai manė, kad indukuotas metalų įmagnetinimas atsiranda dėl temperatūros. skirtumas.
Teisingą šio reiškinio paaiškinimą po kelerių metų pateikė danų fizikas Hansas Oerstedas, kuris nurodė, kad mes kalbame apie termoelektrinį procesą, o srovė teka uždara grandine. Nepaisant to, Thomaso Seebecko atrastas termoelektrinis efektas šiuo metu yra jo pavardė.
Vykstančių procesų fizika
Dar kartą, kad konsoliduotų medžiagą: Seebecko efekto esmė yra paskatintielektros srovė dėl skirtingų dviejų skirtingų medžiagų kontaktų, kurie sudaro uždarą grandinę, skirtingų temperatūrų palaikymo.
Norėdami suprasti, kas vyksta šioje sistemoje ir kodėl joje pradeda tekėti srovė, turėtumėte susipažinti su trimis reiškiniais:
- Pirmasis jau buvo paminėtas – tai EML sužadinimas kontaktinėje srityje dėl Fermio lygių išlyginimo. Šio lygio energija medžiagose kinta kylant arba nukritus temperatūrai. Pastarasis faktas lems srovės atsiradimą, jei grandinėje bus uždaryti du kontaktai (pusiausvyros sąlygos metalų sąlyčio zonoje esant skirtingoms temperatūroms bus skirtingos).
- Krūvininkų perkėlimo iš karštų į š altų regionų procesas. Šį efektą galima suprasti, jei prisiminsime, kad elektronai metaluose ir elektronai bei skylės puslaidininkiuose gali būti laikomi idealiomis dujomis. Kaip žinoma, pastarasis, kaitinamas uždarame tūryje, padidina slėgį. Kitaip tariant, kontaktinėje zonoje, kur temperatūra aukštesnė, elektronų (skylių) dujų „slėgis“taip pat didesnis, todėl krūvininkai linkę eiti į š altesnes medžiagos vietas, tai yra į kitą kontaktą.
- Galų gale, kitas reiškinys, dėl kurio atsiranda srovė Seebecko efekte, yra fononų (gardelės virpesių) sąveika su krūvininkais. Situacija atrodo kaip fononas, judantis iš karštos sankryžos į š altą, „pataiko“elektroną (skylę) ir suteikia jam papildomos energijos.
Pažymėti trys procesaidėl to nustatomas srovės atsiradimas aprašytoje sistemoje.
Kaip apibūdinamas šis termoelektrinis reiškinys?
Labai paprasta, tam jie įveda tam tikrą parametrą S, kuris vadinamas Seebecko koeficientu. Parametras parodo, ar EML reikšmė sukeliama, jei kontaktinės temperatūros skirtumas palaikomas lygus 1 kelvinui (Celsijaus laipsniui). Tai yra, galite rašyti:
S=ΔV/ΔT.
Čia ΔV yra grandinės EMF (įtampa), ΔT yra temperatūros skirtumas tarp karšto ir š alto sandūrų (kontaktinių zonų). Ši formulė yra tik apytiksliai teisinga, nes S paprastai priklauso nuo temperatūros.
Seebeck koeficiento reikšmės priklauso nuo besiliečiančių medžiagų pobūdžio. Nepaisant to, galime neabejotinai teigti, kad metalinėms medžiagoms šios vertės yra lygios vienetams ir dešimčiai μV/K, o puslaidininkių – šimtai μV/K, tai yra, puslaidininkių termoelektrinė jėga yra eilės tvarka didesnė nei metalų.. Šio fakto priežastis – stipresnė puslaidininkių charakteristikų priklausomybė nuo temperatūros (laidumo, krūvininkų koncentracijos).
Proceso efektyvumas
Stulbinantis šilumos perdavimo į elektrą faktas atveria puikias šio reiškinio taikymo galimybes. Nepaisant to, jo technologiniam panaudojimui svarbi ne tik pati idėja, bet ir kiekybinės charakteristikos. Pirma, kaip buvo parodyta, gautas emf yra gana mažas. Šią problemą galima išvengti naudojant nuoseklųjį daugelio laidininkų sujungimą (kurisatliekama Peltier kameroje, kuri bus aptarta toliau).
Antra, tai yra termoelektros gamybos efektyvumo klausimas. Ir šis klausimas lieka atviras iki šiol. Seebeck efekto efektyvumas itin mažas (apie 10%). Tai yra, iš visos sunaudojamos šilumos tik dešimtoji dalis gali būti panaudota naudingam darbui atlikti. Daugelis laboratorijų visame pasaulyje bando padidinti šį efektyvumą, o tai galima padaryti kuriant naujos kartos medžiagas, pavyzdžiui, naudojant nanotechnologijas.
Naudojamas efektas, kurį atrado Seebeck
Nepaisant mažo efektyvumo, jis vis tiek naudojamas. Toliau pateikiamos pagrindinės sritys:
- Termopora. Seebeck efektas sėkmingai naudojamas įvairių objektų temperatūrai matuoti. Tiesą sakant, dviejų kontaktų sistema yra termopora. Jei žinomas jo koeficientas S ir vieno galų temperatūra, tai išmatavus grandinėje atsirandančią įtampą galima apskaičiuoti kito galo temperatūrą. Termoporos taip pat naudojamos spinduliavimo (elektromagnetinės) energijos tankiui matuoti.
- Elektros generavimas kosminiuose zonduose. Žmogaus paleisti zondai, skirti tyrinėti mūsų saulės sistemą ar už jos ribų, naudoja Seebeck efektą, kad maitintų laive esančią elektroniką. Tai atliekama naudojant radiacinį termoelektrinį generatorių.
- Seebeck efekto taikymas šiuolaikiniuose automobiliuose. BMW ir Volkswagen paskelbėjų automobiliuose atsirado termoelektriniai generatoriai, kurie naudos iš išmetimo vamzdžio išmetamų dujų šilumą.
Kiti termoelektriniai efektai
Yra trys termoelektriniai efektai: Seebeck, Peltier, Thomson. Pirmojo esmė jau buvo apgalvota. Kalbant apie Peltier efektą, jis susideda iš vieno kontakto šildymo ir kito aušinimo, jei aukščiau aptarta grandinė yra prijungta prie išorinio srovės š altinio. Tai yra, Seebeck ir Peltier efektai yra priešingi.
Tomsono efektas turi tą patį pobūdį, tačiau jis laikomas toje pačioje medžiagoje. Jo esmė – šilumos išskyrimas arba sugėrimas laidininku, kuriuo teka srovė ir kurio galuose palaikoma skirtinga temperatūra.
Peltier cell
Kalbant apie patentus termogeneratorių moduliams su Seebeck efektu, žinoma, pirmiausia jie prisimena Peltier elementą. Tai kompaktiškas įrenginys (4x4x0,4 cm), pagamintas iš nuosekliai sujungtų n ir p tipo laidininkų. Galite pasigaminti patys. Seebeck ir Peltier efektai yra jos darbo esmė. Įtampos ir srovės, kuriomis jis veikia, yra mažos (3-5 V ir 0,5 A). Kaip minėta aukščiau, jos darbo efektyvumas yra labai mažas (≈10%).
Jis naudojamas sprendžiant tokias kasdienes užduotis kaip vandens šildymas ar aušinimas puodelyje arba mobiliojo telefono įkrovimas.
