Zjawiska termoelektryczne to osobny temat w fizyce, w którym rozważa się, w jaki sposób temperatura może generować elektryczność, a te ostatnie prowadzą do zmiany temperatury. Jednym z pierwszych odkrytych zjawisk termoelektrycznych był efekt Seebecka.
Warunki otwarcia efektu
W 1797 roku włoski fizyk Alessandro Volta, prowadzący badania w dziedzinie elektryczności, odkrył jedno z niesamowitych zjawisk: odkrył, że kiedy stykają się dwa stałe materiały, w obszarze kontaktu pojawia się potencjalna różnica. Nazywa się to różnicą kontaktu. Fizycznie fakt ten oznacza, że w strefie styku różnych materiałów występuje siła elektromotoryczna (EMF), która może prowadzić do pojawienia się prądu w obwodzie zamkniętym. Jeśli teraz dwa materiały są połączone w jednym obwodzie (aby utworzyć dwa kontakty między nimi), wówczas na każdym z nich pojawi się określony EMF, który będzie miał taką samą wielkość, ale przeciwny znak. To ostatnie wyjaśnia, dlaczego prąd nie jest generowany.
Przyczyną pojawienia się pola elektromagnetycznego jest inny poziom Fermi (energiistany walencyjne elektronów) w różnych materiałach. Kiedy te ostatnie zetkną się, poziom Fermiego stabilizuje się (w jednym materiale spada, w innym wzrasta). Proces ten zachodzi z powodu przejścia elektronów przez kontakt, co prowadzi do pojawienia się pola elektromagnetycznego.
Należy od razu zauważyć, że wartość EMF jest znikoma (rzędu kilku dziesiątych wolta).
Odkrycie Thomasa Seebecka
Thomas Seebeck (niemiecki fizyk) w 1821 roku, czyli 24 lata po odkryciu przez Volta różnicy potencjałów kontaktowych, przeprowadził następujący eksperyment. Połączył płytkę bizmutu i miedzi i umieścił obok nich igłę magnetyczną. W tym przypadku, jak wspomniano powyżej, prąd nie wystąpił. Ale gdy tylko naukowiec doprowadził płomień palnika do jednego ze styków dwóch metali, igła magnetyczna zaczęła się obracać.
Teraz wiemy, że siła Ampère'a wytworzona przez przewodnik przewodzący prąd spowodowała jego obrót, ale w tamtym czasie Seebeck nie wiedział o tym, więc błędnie założył, że indukowane namagnesowanie metali następuje w wyniku temperatury różnica.
Właściwe wyjaśnienie tego zjawiska podał kilka lat później duński fizyk Hans Oersted, który zwrócił uwagę, że mówimy o procesie termoelektrycznym, a prąd przepływa przez obwód zamknięty. Niemniej jednak efekt termoelektryczny odkryty przez Thomasa Seebecka nosi obecnie jego nazwisko.
Fizyka toczących się procesów
Po raz kolejny skonsolidować materiał: istotą efektu Seebecka jest wywołanieprąd elektryczny w wyniku utrzymywania różnych temperatur dwóch styków z różnych materiałów, które tworzą obwód zamknięty.
Aby zrozumieć, co dzieje się w tym systemie i dlaczego zaczyna w nim płynąć prąd, powinieneś zapoznać się z trzema zjawiskami:
- Pierwsza została już wspomniana - jest to wzbudzenie pola elektromagnetycznego w obszarze kontaktu z powodu wyrównania poziomów Fermiego. Energia tego poziomu w materiałach zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury. Ten ostatni fakt doprowadzi do pojawienia się prądu, jeśli dwa styki są zamknięte w obwodzie (warunki równowagi w strefie styku metali w różnych temperaturach będą różne).
- Proces przenoszenia nośników ładunku z gorących do zimnych regionów. Efekt ten można zrozumieć, jeśli pamiętamy, że elektrony w metalach i elektrony oraz dziury w półprzewodnikach można w pierwszym przybliżeniu uznać za gaz doskonały. Jak wiadomo, ten ostatni po podgrzaniu w zamkniętej objętości zwiększa ciśnienie. Innymi słowy, w strefie kontaktu, gdzie temperatura jest wyższa, „ciśnienie” gazu elektronowego (dziury) jest również wyższe, więc nośniki ładunku mają tendencję do przechodzenia do zimniejszych obszarów materiału, to znaczy do innego kontaktu.
- Wreszcie, innym zjawiskiem, które prowadzi do pojawienia się prądu w efekcie Seebecka, jest oddziaływanie fononów (drgań sieci) z nośnikami ładunku. Sytuacja wygląda jak fonon, przechodząc od gorącego złącza do zimnego złącza, „uderza” w elektron (dziurę) i przekazuje mu dodatkową energię.
Zaznaczono trzy procesyw efekcie określa się występowanie prądu w opisywanym układzie.
Jak opisano to zjawisko termoelektryczne?
Bardzo proste, w tym celu wprowadzają pewien parametr S, który nazywa się współczynnikiem Seebecka. Parametr pokazuje, czy wartość EMF jest indukowana, jeśli różnica temperatur styków jest utrzymywana na poziomie 1 Kelvina (stopnia Celsjusza). Oznacza to, że możesz napisać:
S=ΔV/ΔT.
Tutaj ΔV jest siłą elektromotoryczną obwodu (napięcie), ΔT jest różnicą temperatur między gorącymi i zimnymi złączami (strefy styku). Ten wzór jest tylko w przybliżeniu poprawny, ponieważ S generalnie zależy od temperatury.
Wartości współczynnika Seebecka zależą od rodzaju stykających się materiałów. Niemniej jednak możemy z całą pewnością powiedzieć, że dla materiałów metalicznych wartości te są równe jednostkom i dziesiątkom μV/K, natomiast dla półprzewodników są to setki μV/K, czyli półprzewodniki mają o rząd wielkości większą siłę termoelektryczną niż metale. Powodem tego jest silniejsza zależność charakterystyk półprzewodników od temperatury (przewodnictwo, koncentracja nośników ładunku).
Wydajność procesu
Zaskakujący fakt zamiany ciepła na energię elektryczną otwiera ogromne możliwości zastosowania tego zjawiska. Niemniej jednak dla jego technologicznego wykorzystania ważny jest nie tylko sam pomysł, ale także cechy ilościowe. Po pierwsze, jak pokazano, powstały emf jest dość mały. Ten problem można obejść, stosując szeregowe połączenie dużej liczby przewodów (które:odbywa się w komórce Peltiera, co zostanie omówione poniżej).
Po drugie, jest to kwestia wydajności wytwarzania energii termoelektrycznej. I to pytanie pozostaje otwarte do dziś. Skuteczność efektu Seebecka jest niezwykle niska (około 10%). Oznacza to, że z całego zużytego ciepła tylko jedna dziesiąta może być wykorzystana do wykonania użytecznej pracy. Wiele laboratoriów na całym świecie stara się zwiększyć tę wydajność, co można osiągnąć poprzez opracowanie materiałów nowej generacji, na przykład przy użyciu nanotechnologii.
Korzystanie z efektu odkrytego przez Seebecka
Pomimo niskiej wydajności nadal znajduje zastosowanie. Poniżej znajdują się główne obszary:
- Termopara. Efekt Seebecka jest z powodzeniem wykorzystywany do pomiaru temperatury różnych obiektów. W rzeczywistości układ dwóch styków to termopara. Jeżeli znany jest jego współczynnik S i temperatura jednego z końców, to mierząc napięcie występujące w obwodzie można obliczyć temperaturę drugiego końca. Termopary są również używane do pomiaru gęstości energii promienistej (elektromagnetycznej).
- Generowanie elektryczności przez sondy kosmiczne. Sondy wystrzeliwane przez ludzi do badania naszego Układu Słonecznego lub poza nim wykorzystują efekt Seebecka do zasilania elektroniki na pokładzie. Odbywa się to za pomocą radiacyjnego generatora termoelektrycznego.
- Zastosowanie efektu Seebecka w nowoczesnych samochodach. Ogłoszono BMW i Volkswagenpojawienie się w ich samochodach generatorów termoelektrycznych, które będą wykorzystywać ciepło gazów emitowanych z rury wydechowej.
Inne efekty termoelektryczne
Istnieją trzy efekty termoelektryczne: Seebeck, Peltier, Thomson. Istota pierwszego została już rozważona. Natomiast efekt Peltiera polega na rozgrzaniu jednego styku i ochłodzeniu drugiego, jeśli do układu omówionego powyżej podłączone jest zewnętrzne źródło prądu. Oznacza to, że efekty Seebecka i Peltiera są przeciwne.
Efekt Thomsona ma ten sam charakter, ale dotyczy tego samego materiału. Jego istotą jest wydzielanie lub pochłanianie ciepła przez przewodnik, przez który przepływa prąd i którego końce utrzymywane są w różnych temperaturach.
Komórka Peltiera
Jeśli mowa o patentach na moduły termogeneratorów z efektem Seebecka, to oczywiście pierwszą rzeczą, jaką pamiętają, jest ogniwo Peltiera. Jest to kompaktowe urządzenie (4x4x0,4 cm) wykonane z szeregu połączonych szeregowo przewodów typu n i p. Możesz to zrobić sam. Sercem jej pracy są efekty Seebecka i Peltiera. Napięcia i prądy z jakimi pracuje są niewielkie (3-5 V i 0,5 A). Jak wspomniano powyżej, wydajność jego pracy jest bardzo mała (≈10%).
Służy do rozwiązywania takich codziennych zadań jak podgrzewanie lub chłodzenie wody w kubku lub ładowanie telefonu komórkowego.
