Termoelektriska fenomen är ett separat ämne inom fysiken, där man överväger hur temperatur kan generera elektricitet, och det senare leder till en temperaturförändring. Ett av de första upptäckta termoelektriska fenomenen var Seebeck-effekten.
Förutsättningar för att öppna effekten
År 1797 upptäckte den italienske fysikern Alessandro Volta, som forskar inom elektricitetsområdet, ett av de fantastiska fenomenen: han upptäckte att när två fasta material kommer i kontakt uppstår en potentiell skillnad i kontaktytan. Det kallas kontaktskillnaden. Fysiskt betyder detta faktum att kontaktzonen för olika material har en elektromotorisk kraft (EMF) som kan leda till uppkomsten av en ström i en sluten krets. Om nu två material är anslutna i en krets (för att bilda två kontakter mellan dem), kommer den specificerade EMF att visas på var och en av dem, som kommer att vara densamma i storlek, men motsatt i tecken. Det senare förklarar varför ingen ström genereras.
Anledningen till att EMF dyker upp är en annan nivå av Fermi (energivalenstillstånd för elektroner) i olika material. När de senare kommer i kontakt planar Fermi-nivån ut (i ett material minskar den, i ett annat stiger den). Denna process uppstår på grund av att elektroner passerar genom kontakten, vilket leder till uppkomsten av en EMF.
Det bör omedelbart noteras att EMF-värdet är försumbart (i storleksordningen några tiondels volt).
Discovery of Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (tysk fysiker) 1821, det vill säga 24 år efter upptäckten av kontaktpotentialskillnaden av Volt, genomförde följande experiment. Han kopplade ihop en platta med vismut och koppar och placerade en magnetnål bredvid dem. I detta fall, som nämnts ovan, inträffade ingen ström. Men så fort forskaren förde brännarens låga till en av kontakterna på de två metallerna började magnetnålen snurra.
Nu vet vi att Ampère-kraften som skapades av den strömförande ledaren fick den att vrida sig, men vid den tiden visste Seebeck inte detta, så han antog felaktigt att den inducerade magnetiseringen av metaller uppstår som ett resultat av temperaturen skillnad.
Den korrekta förklaringen till detta fenomen gavs några år senare av den danske fysikern Hans Oersted, som påpekade att vi talar om en termoelektrisk process, och att en ström flyter genom en sluten krets. Ändå bär den termoelektriska effekt som upptäcktes av Thomas Seebeck nu hans efternamn.
Fysik för pågående processer
Än en gång för att konsolidera materialet: kärnan i Seebeck-effekten är att framkallaelektrisk ström som ett resultat av upprätthållande av olika temperaturer hos två kontakter av olika material, som bildar en sluten krets.
För att förstå vad som händer i det här systemet, och varför ström börjar köras i det, bör du bekanta dig med tre fenomen:
- Den första har redan nämnts - detta är exciteringen av EMF i kontaktområdet på grund av anpassningen av Fermi-nivåerna. Energin för denna nivå i material ändras när temperaturen stiger eller sjunker. Det senare faktumet kommer att leda till uppkomsten av en ström om två kontakter är slutna i en krets (jämviktsförhållandena i kontaktzonen för metaller vid olika temperaturer kommer att vara olika).
- Processen att flytta laddningsbärare från varma till kalla områden. Denna effekt kan förstås om vi kommer ihåg att elektroner i metaller och elektroner och hål i halvledare kan, i den första approximationen, betraktas som en idealgas. Som bekant ökar den senare, när den värms upp i en sluten volym, trycket. Med andra ord, i kontaktzonen, där temperaturen är högre, är "trycket" av elektron(hål)gasen också högre, så laddningsbärare tenderar att gå till kallare områden av materialet, det vill säga till en annan kontakt.
- Slutligen, ett annat fenomen som leder till uppkomsten av ström i Seebeck-effekten är interaktionen av fononer (gittervibrationer) med laddningsbärare. Situationen ser ut som en fonon som rör sig från en varm korsning till en kall korsning, "träffar" en elektron (hål) och ger den ytterligare energi.
Markerade tre processersom ett resultat bestäms förekomsten av ström i det beskrivna systemet.
Hur beskrivs detta termoelektriska fenomen?
Mycket enkelt, för detta introducerar de en viss parameter S, som kallas Seebeck-koefficienten. Parametern visar om EMF-värdet induceras om kontakttemperaturskillnaden hålls lika med 1 Kelvin (grad Celsius). Det vill säga, du kan skriva:
S=ΔV/ΔT.
Här är ΔV kretsens EMF (spänning), ΔT är temperaturskillnaden mellan varma och kalla övergångar (kontaktzoner). Denna formel är bara ungefär korrekt, eftersom S i allmänhet beror på temperaturen.
Värdena på Seebeck-koefficienten beror på naturen hos materialen i kontakt. Ändå kan vi definitivt säga att för metalliska material är dessa värden lika med enheter och tiotals μV/K, medan de för halvledare är hundratals μV/K, det vill säga halvledare har en storleksordning större termoelektrisk kraft än metaller. Anledningen till detta faktum är ett starkare beroende av halvledarnas egenskaper på temperaturen (ledningsförmåga, koncentration av laddningsbärare).
Processeffektivitet
Det överraskande faktumet med överföringen av värme till elektricitet öppnar stora möjligheter för tillämpningen av detta fenomen. Men för dess tekniska användning är inte bara själva idén viktig, utan också kvantitativa egenskaper. För det första, som har visats, är den resulterande emk ganska liten. Detta problem kan kringgås genom att använda en seriekoppling av ett stort antal ledare (somgörs i Peltier-cellen, vilket kommer att diskuteras nedan).
För det andra handlar det om effektivitet i termoelektricitetsgenerering. Och denna fråga är öppen än i dag. Effektiviteten av Seebeck-effekten är extremt låg (cirka 10%). Det vill säga, av all förbrukad värme kan endast en tiondel av den användas för att utföra nyttigt arbete. Många laboratorier runt om i världen försöker öka denna effektivitet, vilket kan göras genom att utveckla nya generationers material, till exempel genom att använda nanoteknik.
Att använda effekten upptäckt av Seebeck
Trots den låga effektiviteten kan den fortfarande användas. Nedan är huvudområdena:
- Termoelement. Seebeck-effekten används framgångsrikt för att mäta temperaturen på olika föremål. Faktum är att ett system med två kontakter är ett termoelement. Om dess koefficient S och temperaturen på en av ändarna är kända, är det möjligt att beräkna temperaturen i den andra änden genom att mäta spänningen som uppstår i kretsen. Termoelement används också för att mäta tätheten hos strålande (elektromagnetisk) energi.
- Generering av elektricitet på rymdsonder. Människolanserade sonder för att utforska vårt solsystem eller mer använder Seebeck-effekten för att driva elektroniken ombord. Detta görs tack vare en termoelektrisk strålningsgenerator.
- Tillämpning av Seebeck-effekten i moderna bilar. BMW och Volkswagen meddeladeutseendet i deras bilar av termoelektriska generatorer som kommer att använda värmen från gaser som släpps ut från avgasröret.
Andra termoelektriska effekter
Det finns tre termoelektriska effekter: Seebeck, Peltier, Thomson. Kärnan i den första har redan övervägts. När det gäller Peltier-effekten består den av att värma en kontakt och kyla den andra, om kretsen som diskuteras ovan är ansluten till en extern strömkälla. Det vill säga, Seebeck- och Peltier-effekterna är motsatta.
Thomson-effekten har samma karaktär, men den betraktas på samma material. Dess kärna är frigörandet eller absorptionen av värme av en ledare genom vilken ström flyter och vars ändar hålls vid olika temperaturer.
Peltier cell
När man talar om patent på termogeneratormoduler med Seebeck-effekten, då är det första de kommer ihåg givetvis Peltier-cellen. Det är en kompakt enhet (4x4x0,4 cm) gjord av en serie ledare av n- och p-typ kopplade i serie. Du kan göra det själv. Seebeck- och Peltier-effekterna är kärnan i hennes arbete. Spänningarna och strömmarna som den fungerar med är små (3-5 V och 0,5 A). Som nämnts ovan är effektiviteten i dess arbete mycket liten (≈10%).
Den används för att lösa sådana vardagliga uppgifter som att värma eller kyla vatten i en mugg eller ladda en mobiltelefon.
