A termoelektromos jelenségek egy külön téma a fizikában, amelyben azt vizsgálják, hogy a hőmérséklet hogyan termelhet áramot, ez utóbbi pedig hőmérséklet-változáshoz vezet. Az egyik első felfedezett termoelektromos jelenség a Seebeck-effektus volt.
Az effektus megnyitásának előfeltételei
1797-ben Alessandro Volta olasz fizikus, aki az elektromosság területén kutat, felfedezte az egyik elképesztő jelenséget: felfedezte, hogy amikor két szilárd anyag érintkezik, potenciálkülönbség jelenik meg az érintkezési területen. Ezt kontaktkülönbségnek nevezik. Fizikailag ez azt jelenti, hogy a különböző anyagok érintkezési zónájában elektromotoros erő (EMF) van, amely zárt áramkörben áram megjelenéséhez vezethet. Ha most két anyagot csatlakoztatunk egy áramkörbe (hogy két érintkezést hozzon létre közöttük), akkor mindegyiken megjelenik a megadott EMF, amely azonos nagyságú, de ellentétes előjelű. Ez utóbbi megmagyarázza, hogy miért nem jön létre áram.
Az EMF megjelenésének oka a Fermi (energia) eltérő szintjeelektronok vegyértékállapotai) különböző anyagokban. Az utóbbiak érintkezésekor a Fermi szint kiegyenlítődik (egyik anyagnál csökken, másiknál nő). Ez a folyamat az elektronok érintkezőn való áthaladása miatt következik be, ami EMF megjelenéséhez vezet.
Rögtön meg kell jegyezni, hogy az EMF-érték elhanyagolható (néhány tized volt).
Thomas Seebeck felfedezése
Thomas Seebeck (német fizikus) 1821-ben, azaz 24 évvel azután, hogy Volt felfedezte az érintkezési potenciál különbséget, a következő kísérletet végezte. Összekötött egy bizmut- és rézlemezt, és egy mágnestűt helyezett melléjük. Ebben az esetben, mint fentebb említettük, nem történt áram. De amint a tudós az égő lángját a két fém érintkezőinek egyikéhez juttatta, a mágneses tű forogni kezdett.
Most már tudjuk, hogy az áramvezető vezető által keltett Amper-erő hatására elfordult, de Seebeck akkor még nem tudta ezt, ezért tévesen azt feltételezte, hogy a fémek indukált mágnesezése a hőmérséklet hatására következik be. különbség.
A jelenség helyes magyarázatát néhány évvel később Hans Oersted dán fizikus adta meg, aki rámutatott, hogy termoelektromos folyamatról beszélünk, és az áram egy zárt áramkörön keresztül folyik. Ennek ellenére a Thomas Seebeck által felfedezett termoelektromos hatás jelenleg az ő vezetéknevét viseli.
A folyamatban lévő folyamatok fizikája
Még egyszer, hogy megszilárdítsuk az anyagot: a Seebeck-effektus lényege az, hogyaz elektromos áram két különböző anyagú érintkező eltérő hőmérsékletének fenntartása következtében, amelyek zárt áramkört alkotnak.
Ahhoz, hogy megértsük, mi történik ebben a rendszerben, és miért indul el benne az áram, három jelenséggel kell megismerkednie:
- Az elsőt már említettük - ez az EMF gerjesztése az érintkezési régióban a Fermi szintek összehangolása miatt. Ennek a szintnek az energiája az anyagokban a hőmérséklet emelkedésével vagy csökkenésével változik. Ez utóbbi tény áram megjelenéséhez vezet, ha egy áramkörben két érintkező zárva van (a fémek érintkezési zónájában különböző hőmérsékleteken az egyensúlyi feltételek eltérőek lesznek).
- A töltéshordozók melegről hideg területre történő áthelyezésének folyamata. Ez a hatás akkor érthető meg, ha emlékezünk arra, hogy a fémekben lévő elektronok és a félvezetőkben lévő elektronok és lyukak első közelítésben ideális gáznak tekinthetők. Mint ismeretes, az utóbbi zárt térfogatban melegítve növeli a nyomást. Vagyis az érintkezési zónában, ahol magasabb a hőmérséklet, az elektron(lyuk)gáz "nyomása" is nagyobb, így a töltéshordozók hajlamosak az anyag hidegebb területeire, vagyis egy másik érintkezésre menni.
- Végül egy másik jelenség, amely áram megjelenéséhez vezet a Seebeck-effektusban, a fononok (rácsrezgések) kölcsönhatása a töltéshordozókkal. A helyzet úgy néz ki, mint egy fonon, amely forró csomópontból hideg csomópontba lép, "eltalál" egy elektront (lyukat), és további energiát ad neki.
Három folyamatot jelölt megennek eredményeként meghatározásra kerül az áram előfordulása a leírt rendszerben.
Hogyan írható le ez a termoelektromos jelenség?
Nagyon egyszerű, ehhez bevezetnek egy bizonyos S paramétert, amelyet Seebeck-együtthatónak neveznek. A paraméter azt mutatja, hogy az EMF érték indukálódik-e, ha az érintkezési hőmérséklet különbség 1 Kelvin (Celsius-fok) értéken marad. Vagyis ezt írhatod:
S=ΔV/ΔT.
Itt ΔV az áramkör EMF-je (feszültség), ΔT a meleg és hideg csomópontok (érintkezési zónák) közötti hőmérsékletkülönbség. Ez a képlet csak megközelítőleg helyes, mivel S általában a hőmérséklettől függ.
A Seebeck-együttható értékei az érintkező anyagok természetétől függenek. Mindazonáltal határozottan kijelenthetjük, hogy fémes anyagoknál ezek az értékek egységek és tíz μV/K, míg a félvezetőknél több száz μV/K, vagyis a félvezetők nagyságrenddel nagyobb termoelektromos erejük, mint a fémek.. Ennek oka a félvezetők jellemzőinek erősebb hőmérsékletfüggősége (vezetőképesség, töltéshordozók koncentrációja).
Folyamathatékonyság
A hő elektromos árammá történő átalakulásának meglepő ténye nagyszerű lehetőségeket nyit meg ennek a jelenségnek az alkalmazására. Ennek ellenére technológiai felhasználása szempontjából nemcsak maga az ötlet fontos, hanem a mennyiségi jellemzők is. Először is, amint látható, a kapott emf meglehetősen kicsi. Ez a probléma kikerülhető nagyszámú vezeték soros csatlakoztatásával (amelya Peltier cellában történik, amelyről az alábbiakban lesz szó).
Másodszor, ez a termoelektromos termelés hatékonyságának kérdése. És ez a kérdés a mai napig nyitva áll. A Seebeck-effektus hatékonysága rendkívül alacsony (kb. 10%). Azaz az összes felhasznált hőnek csak egytizede használható hasznos munka elvégzésére. Világszerte számos laboratórium próbálja növelni ezt a hatékonyságot, ami új generációs anyagok kifejlesztésével, például nanotechnológia felhasználásával valósítható meg.
A Seebeck által felfedezett hatás felhasználásával
Az alacsony hatásfok ellenére még mindig megtalálja a használatát. Alább láthatók a fő területek:
- Hőelem. A Seebeck-effektust sikeresen alkalmazzák különféle tárgyak hőmérsékletének mérésére. Valójában egy két érintkezőből álló rendszer hőelem. Ha ismert az S együtthatója és az egyik végének hőmérséklete, akkor az áramkörben fellépő feszültség mérésével ki lehet számítani a másik vég hőmérsékletét. A hőelemeket a sugárzó (elektromágneses) energia sűrűségének mérésére is használják.
- Elektromos áram előállítása űrszondákon. Az ember által indított szondák a naprendszerünk felfedezéséhez vagy azon túlmenően a Seebeck-effektust használják a fedélzeti elektronika táplálására. Ez egy sugárzásos termoelektromos generátornak köszönhető.
- A Seebeck-effektus alkalmazása a modern autókban. A BMW és a Volkswagen bejelentettetermoelektromos generátorok megjelenése az autóikban, amelyek a kipufogócsőből kibocsátott gázok hőjét használják fel.
Egyéb termoelektromos hatások
Három termoelektromos hatás létezik: Seebeck, Peltier, Thomson. Az első lényegét már átgondoltuk. Ami a Peltier-effektust illeti, az az egyik érintkező fűtéséből és a másik hűtéséből áll, ha a fent tárgy alt áramkör külső áramforráshoz van csatlakoztatva. Vagyis a Seebeck- és Peltier-effektusok ellentétesek.
A Thomson-effektusnak ugyanaz a természete, de ugyanazon az anyagon veszik figyelembe. Lényege, hogy hőt bocsát ki vagy abszorbeál egy vezető, amelyen keresztül áram folyik, és amelynek végeit különböző hőmérsékleten tartják.
Peltier cella
Amikor a Seebeck-effektussal rendelkező hőgenerátor modulok szabadalmáról beszélünk, akkor természetesen először a Peltier-cella jut eszébe. Ez egy kompakt készülék (4x4x0,4 cm), amely sorba kapcsolt n- és p-típusú vezetékekből készül. Ön is elkészítheti. A Seebeck- és Peltier-effektusok állnak munkája középpontjában. A feszültségek és áramok, amelyekkel működik, kicsik (3-5 V és 0,5 A). Mint fentebb említettük, munkájának hatékonysága nagyon kicsi (≈10%).
Olyan mindennapi feladatok megoldására szolgál, mint a víz melegítése vagy hűtése egy bögrében, vagy a mobiltelefon újratöltése.
