Fenomena termoelektrik ialah topik yang berasingan dalam fizik, di mana mereka mempertimbangkan cara suhu boleh menjana elektrik, dan yang terakhir membawa kepada perubahan suhu. Salah satu fenomena termoelektrik pertama yang ditemui ialah kesan Seebeck.
Prasyarat untuk membuka kesan
Pada tahun 1797, ahli fizik Itali Alessandro Volta, yang menjalankan penyelidikan dalam bidang elektrik, menemui salah satu fenomena yang menakjubkan: dia mendapati bahawa apabila dua bahan pepejal bersentuhan, perbezaan potensi muncul di kawasan sentuhan. Ia dipanggil perbezaan sentuhan. Secara fizikal, fakta ini bermakna zon sentuhan bahan yang berbeza mempunyai daya gerak elektrik (EMF) yang boleh membawa kepada kemunculan arus dalam litar tertutup. Jika kini dua bahan disambungkan dalam satu litar (untuk membentuk dua kenalan di antara mereka), maka EMF yang ditentukan akan muncul pada setiap daripada mereka, yang akan sama dalam magnitud, tetapi bertentangan dalam tanda. Yang terakhir menerangkan sebab tiada arus dijana.
Sebab kemunculan EMF adalah tahap Fermi yang berbeza (tenagakeadaan valens elektron) dalam bahan yang berbeza. Apabila yang terakhir bersentuhan, paras Fermi mendatar (dalam satu bahan ia berkurangan, dalam bahan lain ia meningkat). Proses ini berlaku disebabkan oleh laluan elektron melalui sentuhan, yang membawa kepada penampilan EMF.
Perlu diingat dengan segera bahawa nilai EMF boleh diabaikan (berdasarkan susunan beberapa persepuluh volt).
Penemuan Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (ahli fizik Jerman) pada tahun 1821, iaitu, 24 tahun selepas penemuan beza potensi sentuhan oleh Volt, menjalankan eksperimen berikut. Dia menyambung pinggan bismut dan tembaga, dan meletakkan jarum magnet di sebelah mereka. Dalam kes ini, seperti yang dinyatakan di atas, tiada arus berlaku. Tetapi sebaik sahaja saintis membawa nyalaan penunu ke salah satu sentuhan kedua-dua logam itu, jarum magnet mula berputar.
Sekarang kita tahu bahawa daya Ampere yang dicipta oleh konduktor pembawa arus menyebabkannya berpusing, tetapi pada masa itu Seebeck tidak mengetahui perkara ini, jadi dia tersilap mengandaikan bahawa magnetisasi teraruh logam berlaku akibat suhu. perbezaan.
Penjelasan yang betul untuk fenomena ini telah diberikan beberapa tahun kemudian oleh ahli fizik Denmark, Hans Oersted, yang menunjukkan bahawa kita bercakap tentang proses termoelektrik, dan arus mengalir melalui litar tertutup. Namun begitu, kesan termoelektrik yang ditemui oleh Thomas Seebeck pada masa ini menggunakan nama terakhirnya.
Fizik proses berterusan
Sekali lagi untuk menyatukan bahan: intipati kesan Seebeck adalah untuk mendorongarus elektrik hasil daripada mengekalkan suhu berbeza dua sesentuh bahan berbeza, yang membentuk litar tertutup.
Untuk memahami perkara yang berlaku dalam sistem ini, dan sebab arus mula mengalir di dalamnya, anda harus membiasakan diri dengan tiga fenomena:
- Yang pertama telah pun disebut - ini ialah pengujaan EMF di kawasan hubungan kerana penjajaran tahap Fermi. Tenaga tahap ini dalam bahan berubah apabila suhu meningkat atau menurun. Fakta terakhir akan membawa kepada kemunculan arus jika dua sesentuh ditutup dalam litar (keadaan keseimbangan dalam zon sentuhan logam pada suhu yang berbeza akan berbeza).
- Proses mengalihkan pembawa cas dari kawasan panas ke sejuk. Kesan ini boleh difahami jika kita ingat bahawa elektron dalam logam dan elektron dan lubang dalam semikonduktor boleh, dalam anggaran pertama, dianggap sebagai gas ideal. Seperti yang diketahui, yang terakhir, apabila dipanaskan dalam isipadu tertutup, meningkatkan tekanan. Dalam erti kata lain, dalam zon hubungan, di mana suhu lebih tinggi, "tekanan" gas elektron (lubang) juga lebih tinggi, jadi pembawa caj cenderung pergi ke kawasan bahan yang lebih sejuk, iaitu, ke kenalan lain.
- Akhir sekali, fenomena lain yang membawa kepada kemunculan arus dalam kesan Seebeck ialah interaksi fonon (getaran kekisi) dengan pembawa cas. Keadaan ini kelihatan seperti fonon, bergerak dari persimpangan panas ke persimpangan sejuk, "memukul" elektron (lubang) dan memberikan tenaga tambahan kepadanya.
Menandai tiga prosesakibatnya, kejadian arus dalam sistem yang diterangkan ditentukan.
Bagaimanakah fenomena termoelektrik ini diterangkan?
Sangat mudah, untuk ini mereka memperkenalkan parameter S tertentu, yang dipanggil pekali Seebeck. Parameter menunjukkan jika nilai EMF teraruh jika perbezaan suhu sentuhan dikekalkan sama dengan 1 Kelvin (darjah Celsius). Iaitu, anda boleh menulis:
S=ΔV/ΔT.
Di sini ΔV ialah EMF litar (voltan), ΔT ialah perbezaan suhu antara simpang panas dan sejuk (zon hubungan). Formula ini hanya kira-kira betul, kerana S biasanya bergantung pada suhu.
Nilai pekali Seebeck bergantung pada sifat bahan yang bersentuhan. Walau bagaimanapun, kita pasti boleh mengatakan bahawa untuk bahan logam nilai ini adalah sama dengan unit dan puluhan μV/K, manakala bagi semikonduktor ia adalah ratusan μV/K, iaitu semikonduktor mempunyai susunan magnitud daya termoelektrik yang lebih besar daripada logam.. Sebab fakta ini adalah pergantungan yang lebih kuat terhadap ciri-ciri semikonduktor pada suhu (konduksi, kepekatan pembawa cas).
Kecekapan proses
Fakta mengejutkan pemindahan haba ke dalam elektrik membuka peluang besar untuk penerapan fenomena ini. Walau bagaimanapun, untuk penggunaan teknologinya, bukan sahaja idea itu sendiri penting, tetapi juga ciri kuantitatif. Pertama, seperti yang telah ditunjukkan, emf yang terhasil adalah agak kecil. Masalah ini boleh dielakkan dengan menggunakan sambungan siri sejumlah besar konduktor (yangdilakukan dalam sel Peltier, yang akan dibincangkan di bawah).
Kedua, ia adalah soal kecekapan penjanaan termoelektrik. Dan persoalan ini masih terbuka hingga ke hari ini. Kecekapan kesan Seebeck adalah sangat rendah (kira-kira 10%). Iaitu, daripada semua haba yang dibelanjakan, hanya satu persepuluh daripadanya boleh digunakan untuk melakukan kerja yang berguna. Banyak makmal di seluruh dunia cuba meningkatkan kecekapan ini, yang boleh dilakukan dengan membangunkan bahan generasi baharu, contohnya, menggunakan teknologi nano.
Menggunakan kesan yang ditemui oleh Seebeck
Walaupun kecekapannya rendah, ia masih mendapati kegunaannya. Di bawah ialah kawasan utama:
- Termokopel. Kesan Seebeck berjaya digunakan untuk mengukur suhu pelbagai objek. Malah, sistem dua kenalan ialah termokopel. Sekiranya pekali S dan suhu salah satu hujungnya diketahui, maka dengan mengukur voltan yang berlaku dalam litar, adalah mungkin untuk mengira suhu hujung yang lain. Termokopel juga digunakan untuk mengukur ketumpatan tenaga sinaran (elektromagnet).
- Penjanaan elektrik pada kuar angkasa. Probe yang dilancarkan manusia untuk meneroka sistem suria kita atau seterusnya menggunakan kesan Seebeck untuk menghidupkan elektronik. Ini dilakukan terima kasih kepada penjana termoelektrik sinaran.
- Aplikasi kesan Seebeck dalam kereta moden. BMW dan Volkswagen mengumumkanpenampilan dalam kereta mereka penjana termoelektrik yang akan menggunakan haba gas yang dipancarkan daripada paip ekzos.
Kesan termoelektrik lain
Terdapat tiga kesan termoelektrik: Seebeck, Peltier, Thomson. Intipati yang pertama telah pun dipertimbangkan. Bagi kesan Peltier, ia terdiri daripada pemanasan satu kenalan dan penyejukan yang lain, jika litar yang dibincangkan di atas disambungkan kepada sumber arus luaran. Iaitu, kesan Seebeck dan Peltier adalah bertentangan.
Kesan Thomson mempunyai sifat yang sama, tetapi ia dianggap pada bahan yang sama. Intipatinya ialah pembebasan atau penyerapan haba oleh konduktor yang melaluinya arus mengalir dan hujungnya dikekalkan pada suhu yang berbeza.
Sel peltier
Apabila bercakap tentang paten untuk modul penjana termo dengan kesan Seebeck, maka, sudah tentu, perkara pertama yang mereka ingat ialah sel Peltier. Ia ialah peranti padat (4x4x0.4 cm) diperbuat daripada siri konduktor jenis n dan p yang disambung secara bersiri. Anda boleh buat sendiri. Kesan Seebeck dan Peltier adalah teras kerjanya. Voltan dan arus yang digunakan adalah kecil (3-5 V dan 0.5 A). Seperti yang dinyatakan di atas, kecekapan kerjanya sangat kecil (≈10%).
Ia digunakan untuk menyelesaikan tugas harian seperti memanaskan atau menyejukkan air dalam cawan atau mengecas semula telefon bimbit.
