Termoelektriske fænomener er et særskilt emne i fysik, hvor de overvejer, hvordan temperatur kan generere elektricitet, og sidstnævnte fører til en temperaturændring. Et af de første opdagede termoelektriske fænomener var Seebeck-effekten.
Forudsætninger for at åbne effekten
I 1797 opdagede den italienske fysiker Alessandro Volta, der forskede inden for elektricitet, et af de fantastiske fænomener: han opdagede, at når to faste materialer kommer i kontakt, opstår der en potentiel forskel i kontaktområdet. Det kaldes kontaktforskellen. Fysisk betyder dette faktum, at kontaktzonen af uens materialer har en elektromotorisk kraft (EMF), der kan føre til udseendet af en strøm i et lukket kredsløb. Hvis nu to materialer er forbundet i et kredsløb (for at danne to kontakter mellem dem), vil den specificerede EMF vises på hver af dem, som vil være den samme i størrelse, men modsat i fortegn. Sidstnævnte forklarer, hvorfor der ikke genereres strøm.
Årsagen til fremkomsten af EMF er et andet niveau af Fermi (energivalenstilstande for elektroner) i forskellige materialer. Når sidstnævnte kommer i kontakt, udjævnes Fermi-niveauet (i ét materiale falder det, i et andet stiger det). Denne proces opstår på grund af passage af elektroner gennem kontakten, hvilket fører til fremkomsten af en EMF.
Det skal straks bemærkes, at EMF-værdien er ubetydelig (i størrelsesordenen nogle få tiendedele volt).
Opdagelse af Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (tysk fysiker) i 1821, det vil sige 24 år efter opdagelsen af kontaktpotentialforskellen af Volt, udførte følgende eksperiment. Han forbandt en plade af vismut og kobber, og placerede en magnetisk nål ved siden af dem. I dette tilfælde, som nævnt ovenfor, opstod der ingen strøm. Men så snart videnskabsmanden bragte brænderens flamme til en af kontakterne på de to metaller, begyndte den magnetiske nål at dreje.
Nu ved vi, at Ampère-kraften skabt af den strømførende leder fik den til at dreje, men på det tidspunkt vidste Seebeck ikke dette, så han antog fejlagtigt, at den inducerede magnetisering af metaller opstår som et resultat af temperaturen forskel.
Den korrekte forklaring på dette fænomen blev givet et par år senere af den danske fysiker Hans Ørsted, som påpegede, at vi taler om en termoelektrisk proces, og en strøm løber gennem et lukket kredsløb. Ikke desto mindre bærer den termoelektriske effekt opdaget af Thomas Seebeck i øjeblikket hans efternavn.
Fysik af igangværende processer
Igen for at konsolidere materialet: essensen af Seebeck-effekten er at fremkaldeelektrisk strøm som et resultat af opretholdelse af forskellige temperaturer på to kontakter af forskellige materialer, som danner et lukket kredsløb.
For at forstå, hvad der sker i dette system, og hvorfor der begynder at køre strøm i det, bør du stifte bekendtskab med tre fænomener:
- Den første er allerede blevet nævnt - dette er excitationen af EMF i kontaktområdet på grund af justeringen af Fermi-niveauerne. Energien af dette niveau i materialer ændres, når temperaturen stiger eller falder. Sidstnævnte vil føre til fremkomsten af en strøm, hvis to kontakter er lukket i et kredsløb (ligevægtsbetingelserne i kontaktzonen for metaller ved forskellige temperaturer vil være forskellige).
- Processen med at flytte ladningsbærere fra varme til kolde områder. Denne effekt kan forstås, hvis vi husker, at elektroner i metaller og elektroner og huller i halvledere, i den første tilnærmelse, kan betragtes som en ideel gas. Som det er kendt, øger sidstnævnte, når det opvarmes i et lukket volumen, trykket. Med andre ord, i kontaktzonen, hvor temperaturen er højere, er "trykket" af elektron(hul)gassen også højere, så ladningsbærere har en tendens til at gå til koldere områder af materialet, det vil sige til en anden kontakt.
- Endelig et andet fænomen, der fører til forekomsten af strøm i Seebeck-effekten, er interaktionen af fononer (gittervibrationer) med ladningsbærere. Situationen ligner en fonon, der bevæger sig fra et varmt kryds til et koldt kryds, "ramte" en elektron (hul) og giver den yderligere energi.
Markerede tre processersom følge heraf bestemmes forekomsten af strøm i det beskrevne system.
Hvordan beskrives dette termoelektriske fænomen?
Meget enkelt, til dette indfører de en bestemt parameter S, som kaldes Seebeck-koefficienten. Parameteren viser, om EMF-værdien induceres, hvis kontakttemperaturforskellen holdes lig med 1 Kelvin (grad Celsius). Det vil sige, du kan skrive:
S=ΔV/ΔT.
Her er ΔV kredsløbets EMF (spænding), ΔT er temperaturforskellen mellem de varme og kolde overgange (kontaktzoner). Denne formel er kun tilnærmelsesvis korrekt, da S generelt afhænger af temperaturen.
Værdierne af Seebeck-koefficienten afhænger af arten af de materialer, der er i kontakt. Ikke desto mindre kan vi bestemt sige, at for metalliske materialer er disse værdier lig med enheder og tiere af μV/K, mens de for halvledere er hundredvis af μV/K, det vil sige, at halvledere har en størrelsesorden større termoelektrisk kraft end metaller. Årsagen til dette faktum er en stærkere afhængighed af halvlederes egenskaber af temperatur (ledningsevne, koncentration af ladningsbærere).
Proceseffektivitet
Det overraskende faktum med overførsel af varme til elektricitet åbner store muligheder for anvendelsen af dette fænomen. Ikke desto mindre er ikke kun ideen i sig selv vigtig for dens teknologiske brug, men også kvantitative egenskaber. For det første, som det er blevet vist, er den resulterende emf ret lille. Dette problem kan omgås ved at bruge en serieforbindelse af et stort antal ledere (somudføres i Peltier-cellen, som vil blive diskuteret nedenfor).
For det andet er det et spørgsmål om termoelektricitetsproduktionseffektivitet. Og dette spørgsmål er stadig åbent den dag i dag. Effektiviteten af Seebeck-effekten er ekstremt lav (ca. 10%). Det vil sige, at af al den brugte varme kan kun en tiendedel af den bruges til at udføre nyttigt arbejde. Mange laboratorier rundt om i verden forsøger at øge denne effektivitet, hvilket kan gøres ved at udvikle ny generation af materialer, for eksempel ved hjælp af nanoteknologi.
Brug af effekten opdaget af Seebeck
På trods af den lave effektivitet finder den stadig sin brug. Nedenfor er hovedområderne:
- Termoelement. Seebeck-effekten bruges med succes til at måle temperaturerne på forskellige objekter. Faktisk er et system med to kontakter et termoelement. Hvis dens koefficient S og temperaturen på en af enderne er kendt, er det muligt at beregne temperaturen i den anden ende ved at måle spændingen, der opstår i kredsløbet. Termoelementer bruges også til at måle tætheden af strålingsenergi (elektromagnetisk).
- Generering af elektricitet på rumsonder. Menneskeligt opsendte sonder til at udforske vores solsystem eller mere, bruger Seebeck-effekten til at drive elektronikken om bord. Dette gøres takket være en termoelektrisk strålingsgenerator.
- Anvendelse af Seebeck-effekten i moderne biler. Det meddelte BMW og Volkswagenudseendet i deres biler af termoelektriske generatorer, der vil bruge varmen fra gasser, der udsendes fra udstødningsrøret.
Andre termoelektriske effekter
Der er tre termoelektriske effekter: Seebeck, Peltier, Thomson. Essensen af den første er allerede blevet overvejet. Hvad angår Peltier-effekten, består den i opvarmning af den ene kontakt og afkøling af den anden, hvis kredsløbet beskrevet ovenfor er forbundet med en ekstern strømkilde. Det vil sige, at Seebeck- og Peltier-effekterne er modsatte.
Thomson-effekten har samme karakter, men den betragtes på samme materiale. Dens essens er frigivelsen eller absorptionen af varme fra en leder, gennem hvilken strøm løber, og hvis ender holdes ved forskellige temperaturer.
Peltier-celle
Når man taler om patenter på termogeneratormoduler med Seebeck-effekten, så er det selvfølgelig Peltier-cellen det første, de husker. Det er en kompakt enhed (4x4x0,4 cm) lavet af en serie af n- og p-type ledere forbundet i serie. Du kan lave det selv. Seebeck- og Peltier-effekterne er kernen i hendes arbejde. Spændingerne og strømmene, som den arbejder med, er små (3-5 V og 0,5 A). Som nævnt ovenfor er effektiviteten af dets arbejde meget lille (≈10%).
Det bruges til at løse dagligdagsopgaver som at opvarme eller køle vand i et krus eller genoplade en mobiltelefon.
