Seebeck efekt: opis, objašnjenje i uporaba

Glavni način proizvodnje velikih količina električne energije se trenutno provodi zbog pojave elektromagnetske indukcije, koja uključuje mehaničko kretanje vodiča u magnetskom polju. Međutim, postoji još jedan način dobivanja ove vrste energije: pomoću temperature. Da bismo razumjeli bit ovog procesa, treba uzeti u obzir Seebeckov učinak.

Termoelektrični procesi

U fizici se ovaj izraz odnosi na procese reverzibilne prirode koji su povezani s pojavama prijenosa naboja (električna struja) i topline (toplinska vodljivost). Postoje tri različite termoelektrične pojave koje su međusobno povezane. To su učinci:

• Seebeck;
• Peltier;
• Thomson (Kelvin).

Primijetite da Jouleov efekt, koji je zračenje vodiča topline kada struja prolazi kroz njega, nije uključen u gornji popis, jer je to nepovratan proces.

Otkriće Thomasa Johanna Seebecka

Estonski-njemački fizičar Thomas Seebeck je 1821. godine proveo jedan zanimljiv eksperiment: između njih je spojio dvije ploče, koje su načinjene od različitih materijala (bizmut i bakar) u zatvorenoj petlji. Zatim zagrije jedan od kontakata. Znanstvenik je primijetio da je magnetska igla kompasa, koja se nalazila u blizini strujnog kruga, počela mijenjati smjer. Kao rezultat toga, znanstvenik je odlučio da su dva materijala (bakar i bizmut) različito polarizirana kao posljedica djelovanja topline, stoga je on odredio otvoreni učinak kao termomagnetski, a ne termoelektrični.

Nakon toga, danski znanstvenik Hans Oersted dao je ispravno objašnjenje učinka kojeg je Seebeck otkrio, nazivajući ga termoelektričnim procesom.

Suština otvorenog učinka

Iz gornjeg paragrafa moguće je samostalno zaključiti da je to termoelektrični fenomen. Njegova suština je sljedeća: ako spojite dva materijala između sebe u jednom krugu i podvrgnete njihove kontakte temperaturnim razlikama, tada će struja teći u krugu.

Imajte na umu da za promatranje ovog učinka moraju biti ispunjeni sljedeći uvjeti:

• Prisutnost zatvorenog kruga (u otvorenom krugu ne postoji električna struja).
• Prisutnost kontakta s dva različita metala (ako su vodiči dovedeni u kontakt izrađeni od istog materijala, tada neće biti promatrana nikakva razlika). Ovi materijali mogu biti takvi parovi kao metal i drugi metal, metal i poluvodič ili dva poluvodiča različitih tipova (p i n).
• Prisutnost temperaturne razlike između dva kontakta vodiča. Ta razlika je u osnovi fenomena EMF-a (elektromotorne sile). Imajte na umu da je to kontakt dvaju materijala koji se trebaju zagrijati (ohladiti), a ne bilo koji od njih.

Fizičko objašnjenje učinka

Opisani termoelektrični učinak prilično je složen fenomen. Da bi ga razumjeli, razmotrite sustav koji se sastoji od bakrenih i željeznih vodiča međusobno povezanih. Obratite pozornost na procese koji se javljaju u zoni kontakta Cu-Fe, koji se zagrijava. Stjecanjem dodatne kinetičke energije, elektroni u području grijanja stvaraju viši "tlak" elektronskog plina, te stoga teže izlazu iz njega u hladniji kraj kruga. Naprotiv, kontakt Cu-Fe, koji se hladi, uzrokuje gubitak kinetičke energije nositelja naboja, to dovodi do smanjenja tlaka koji nastaju u zoni kontakta. Potonja činjenica dovodi do privlačenja slobodnih nosača naboja u hladnu regiju.

Ako su metali u kontaktu isti, onda bi brzine kretanja elektrona kao posljedica temperaturne razlike bile iste, a njihovi smjerovi u svakom vodiču bi bili suprotni, tj. Ne bi došlo do razlike u potencijalu. Budući da metali imaju različitu prirodu, različito reagiraju na toplinu (promjena "tlaka" elektrona i brzina njihova pomaka različiti su za Fe i Cu). To je razlog pojave EMF-a u zoni kontakta.

Napominjemo da je pri objašnjavanju fizike procesa korištena analogija s idealnim plinom.

Smjer nastajuće toplinske struje, kao i njezina veličina, određena je prirodom metala, temperaturnom razlikom kontakata, kao i karakteristikama samog električnog zatvorenog kruga.

Ako uzmemo u obzir fiziku procesa za par metal-poluvodič, onda se on neće razlikovati od onog za razmatrani metal-metal par. Primjena temperaturne razlike na dva metalna kontakta s poluvodičem u posljednjem uzrokuje protok elektrona (n-tipa) ili rupa (p-tipa) iz vrućeg u hladno područje, što dovodi do pojave razlike potencijala.

Ako se temperaturna razlika ne održava zbog odvođenja topline iz hladne zone i njezina dovoda u vrući kontakt, tada se u krugu brzo uspostavlja termodinamička ravnoteža, a struja prestaje teći.

Matematički opis fenomena koji se razmatra

Shvativši što je Seebeck efekt, možete nastaviti s pitanjem njegovog matematičkog opisa. Ovdje je glavna količina tzv. Seebeckov koeficijent. Izražava se formulom:

S _AB = (V2-V1) / (T2-T1) = ΔV / ΔT.

Ovdje su V ₂ i V ₁ vrijednosti električnih potencijala u području vrućih i hladnih kontakata, T2-T1 su temperaturne razlike tih kontakata, A i B su dva materijala razmatranog zatvorenog kruga.

Fizičko značenje koeficijenta S _AB je to što pokazuje kakva se vrsta emf može dobiti primjenom temperaturne razlike na kontakte jednake 1 kelvina. Tipične vrijednosti S _AB za moderne termoelektrične materijale su nekoliko desetaka ili stotina mikrovolti po kelvinu.

Koeficijent S _AB nije konstanta za vodiče A i B, ovisi o temperaturi.

Učinkovitost procesa

To je najzanimljivije i najznačajnije pitanje koje se tiče razmatranog termoelektričnog učinka. Ako je primjenom temperaturne razlike u krugu moguće proizvesti električnu energiju, tada se ovaj fenomen može koristiti umjesto uobičajenih generatora na temelju elektromagnetske indukcije. Ovaj je zaključak točan ako je djelotvornost Seebeckovog učinka dovoljno visoka.

Za procjenu učinkovitosti, uobičajeno je koristiti sljedeći izraz:

Z * T = (S _AB ) ² * T / (ρ * λ).

Ovdje ρ je električni otpor, λ je koeficijent toplinske vodljivosti, Z je faktor učinkovitosti termoelektričnog fenomena.

Taj je izraz lako razumljiv: što je Seebeckov koeficijent veći, to je veća mobilnost nosača (manje otpora) i manja toplinska vodljivost materijala (pomaže u izjednačavanju temperaturnog gradijenta kroz prijenos naboja i kretanje fonona rešetke). ,

Z * T vrijednosti za metale obično su niske, budući da je λ velika. S druge strane, izolatori se također ne mogu koristiti zbog njihovih ogromnih ρ vrijednosti. Zlatna sredina bila je upotreba poluvodiča.

Trenutno se za različite temperature dobivaju vrijednosti Z * T≈1, što znači sljedeće: približno 10% potrošene topline pretvara se u električnu energiju (učinkovitost = 10%). Da bi ovaj učinak bio u stanju konkurirati suvremenim načinima proizvodnje električne energije, potrebno je razviti materijale za koje će Z * T biti 3-4.

Gdje se koristi ovaj učinak

Najpopularniji smjer njegove primjene su instrumenti za mjerenje temperature, koji se nazivaju termoparovi. Ako je poznata temperatura jednog kraja termoelementa (prostorija), tada uranjanjem drugog kraja u tijelo, čija bi se temperatura trebala odrediti, i mjerenjem rezultirajuće emf, lako se može pronaći nepoznata vrijednost.

Prema najnovijim vijestima, dvije njemačke automobilske tvrtke (Volkswagen i BMW) navode da su počele primjenjivati ​​ovaj efekt kako bi povećale učinkovitost benzinskog motora. Ideja je da se toplina koju emitira iz ispušne cijevi koristi za generiranje termoelektrične struje. Prema predstavnicima tih tvrtki, na taj način su uspjeli smanjiti kilometražu plina za 5%.

Voyager serija sondi, čija je misija istražiti prostor oko nas, koristi Seebeck efekt za napajanje svoje elektronike. Činjenica je da se sunčeve baterije izvan orbite Marsa ne mogu koristiti zbog niske gustoće energije od Sunca. Na ploči Voyager ugrađen je termoelektrični generator na izotopima plutonija: radioaktivni plutonijev oksid se raspada s oslobađanjem topline, koju koristi par poluvodičkih materijala (SiGe) za pretvorbu u električnu energiju.

Spin efekt

Nedavno su znanstvenici otkrili zanimljiv fenomen: ako se magnetski kontakt Ni-Fe para zagrije, elektroni se vrte u cijelom materijalu na određeni način, što stvara magnetsko polje. Ovaj fenomen se naziva Seebeckov spin učinak. Može se koristiti za stvaranje magnetskih polja bez sudjelovanja električne struje.

Peltierov efekt

To je naziv fenomena koji je 1834. godine otkrio Francuz Jean Peltier. Njegova se suština sastoji u tome da, ako električna struja prođe kroz kontakt različitih materijala, ona će se ili zagrijati ili ohladiti ovisno o smjeru kretanja nosača naboja. Koristi se u tzv. Peltier-ovoj ćeliji, koja je sposobna zagrijavati ili hladiti okolne objekte, na primjer vodu, kada je spojena na potencijalnu razliku (električni krug).

Stoga su efekti Peltiera i Seebecka međusobno suprotni.

Thomson Effect (Kelvin)

Također je uključen u popis termoelektričnih fenomena. Otvorio ga je lord Kelvin (William Thomson) 1851. Kombinira fenomene koje su opazili Peltier i Seebeck. Bit Thomson efekta je sljedeći: ako se na krajevima vodiča stvara drugačija temperatura, a zatim se na njih primijeni napon, vodič će početi razmjenjivati ​​toplinu s okolinom. To jest, ne samo da ga može alocirati, nego i apsorbirati, što ovisi o polarnosti potencijala i temperaturnoj razlici na krajevima.

Razlika ovog učinka od prethodna dva je u tome što je implementirana na jednom, a ne na dva različita vodiča.

Sva tri termodinamička učinka matematički su međusobno povezana.