Seebeckov učinek: opis, razlaga in uporaba

Glavni način proizvodnje velikih količin električne energije se trenutno izvaja zaradi pojava elektromagnetne indukcije, ki vključuje mehansko gibanje vodnika v magnetnem polju. Vendar pa obstaja še en način za pridobivanje te vrste energije: z uporabo temperature. Da bi razumeli bistvo tega procesa, je treba razmisliti o Seebeckovem učinku.

Termoelektrični procesi

V fiziki se ta stavek nanaša na procese reverzibilne narave, ki so povezani s pojavom prenosa naboja (električni tok) in toplote (toplotna prevodnost). Obstajajo trije različni termoelektrični pojavi, ki so med seboj povezani. To so učinki:

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

Upoštevajte, da Jouleov učinek, ki je sevanje prevodnika toplote, ko skozi njega poteka tok, ni vključen v zgornji seznam, ker je to nepovraten proces.

Odkritje Thomasa Johanna Seebecka

Estonsko-nemški fizik Thomas Seebeck je leta 1821 izvedel en zanimiv poskus: med njimi je povezal dve ploščici, ki sta bili izdelani iz različnih materialov (bizmut in baker) v zaprti zanki. Potem je ogreval enega od stikov. Znanstvenik je opazil, da je magnetna igla kompasa, ki se je nahajala v bližini prevodnega vezja, začela spreminjati smer. Posledično je znanstvenik odločil, da sta oba materiala (baker in bizmut) različno polarizirana kot posledica delovanja toplote, zato je odprt učinek določil kot termomagnetni, ne termoelektrični.

Potem je danski znanstvenik Hans Oersted podal pravilno razlago učinka, ki ga je odkril Seebeck, in ga poimenoval termoelektrični proces.

Bistvo odprtega učinka

Iz zgornjega odstavka je mogoče samostojno sklepati, da je to termoelektrični pojav. Njegovo bistvo je naslednje: če povežete dva materiala med seboj v enem tokokrogu in svoje kontakte izpostavite temperaturnim razlikam, bo tok v tokokrogu tekel.

Upoštevajte, da morajo biti za dosego tega učinka izpolnjeni naslednji pogoji:

• Prisotnost zaprtega kroga (električni tok v odprtem krogu ne obstaja).
• Prisotnost stika dveh različnih kovin (če so vodniki, ki so v stiku, izdelani iz istega materiala, potem ne bo opaziti razlike v potencialu). Ti materiali so lahko taki pari, kot sta kovina in druga kovina, kovina in polprevodnik, ali dva polprevodnika različnih tipov (p in n).
• Prisotnost temperaturne razlike med obema kontaktoma prevodnikov. Ta razlika je podlaga za pojav EMF (elektromotorne sile). Upoštevajte, da je to stik dveh materialov, ki jih je treba ogreti (ohladiti) in ne nobenega od njih.

Fizična razlaga učinka

Opisani termoelektrični učinek je precej zapleten pojav. Da bi ga razumeli, upoštevajte sistem, ki je sestavljen iz bakrovih in železnih vodnikov, med seboj povezanih. Bodite pozorni na procese, ki se pojavljajo v coni stika Cu-Fe, ki se segreva. S pridobitvijo dodatne kinetične energije elektroni v ogrevalnem območju ustvarijo višji "tlak" elektronskega plina, zato se nagibajo k temu, da iz njega izstopijo na hladnejši konec vezja. Nasprotno, kontaktni Cu-Fe, ki se ohladi, povzroči izgubo kinetične energije nosilcev nabojev, kar vodi do zmanjšanja tlaka, ki ga ustvarjajo v kontaktnem območju. Slednje dejstvo vodi v privabljanje brezplačnih nosilcev nabojev v hladno regijo.

Če bi bile kovine v stiku enake, bi bile hitrosti gibanja elektronov zaradi temperaturne razlike enake, njihove smeri v vsakem vodniku pa bi bile nasprotne, kar pomeni, da ne bi prišlo do razlike v potencialu. Ker pa imajo kovine drugačno naravo, se različno odzivajo na toploto (sprememba "tlaka" elektronov in hitrost njihovega odnašanja sta različni za Fe in Cu). To je razlog za pojav EMF v kontaktnem območju.

Upoštevajte, da je bila pri razlagi fizike procesa uporabljena analogija s idealnim plinom.

Smer nastajajočega toplotnega toka in njegovo velikost določata narava kovin, temperaturna razlika kontaktov in značilnosti samega električnega zaprtega kroga.

Če upoštevamo fiziko procesa za par kovinsko-polprevodniških, potem se ne bo razlikoval od tistega za obravnavani kovinsko-kovinski par. Uporaba temperaturne razlike na dveh kovinskih stikih s polprevodnikom v slednjem povzroča tok elektronov (n-tipa) ali lukenj (p-tip) iz vročega v hladno območje, kar vodi do pojava potencialne razlike.

Če se temperaturna razlika ne ohrani zaradi odvajanja toplote iz hladne cone in njene oskrbe z vročim kontaktom, se termodinamično ravnovesje hitro vzpostavi v tokokrogu in tok preneha teči.

Matematični opis obravnavanega pojava

Ko razumete, kaj je Seebeckov učinek, lahko nadaljujete z vprašanjem njegovega matematičnega opisa. Tu je glavna količina tako imenovani Seebeckov koeficient. Izražena je s formulo:

S _AB = (V ₂ -V ₁ ) / (T ₂ -T ₁ ) = ΔV / ΔT.

Tu sta V ₂ in V ₁ vrednosti električnih potencialov v območju vročih in hladnih kontaktov, T ₂ -T ₁ so temperaturne razlike teh kontaktov, A in B sta dva materiala obravnavanega zaprtega kroga.

Fizični pomen koeficienta S _AB je, da pokaže, kakšno vrsto emf je mogoče doseči z uporabo temperaturne razlike na stike, ki so enake 1 kelvinu. Tipične vrednosti S _AB za sodobne termoelektrične materiale so več deset ali sto mikrovoltov na kelvin.

Koeficient S _AB ni konstanten za vodnike A in B, odvisen je od temperature.

Učinkovitost procesa

To je najbolj zanimivo in pomembno vprašanje, ki se nanaša na obravnavani termoelektrični učinek. Če je z uporabo temperaturne razlike v tokokrogu mogoče proizvajati elektriko, se ta pojav lahko uporabi namesto običajnih generatorjev, ki temeljijo na elektromagnetni indukciji. Ta sklep je pravilen, če je učinkovitost Seebeckovega učinka dovolj visoka.

Za oceno učinkovitosti je običajno uporabiti naslednji izraz:

Z * T = (S _AB ) ² * T / (ρ * λ).

Tu je ρ električna upornost, λ je koeficient toplotne prevodnosti, Z je faktor učinkovitosti termoelektričnega pojava.

Ta izraz je lahko razumljiv: večji ko je Seebeckov koeficient, večja je mobilnost nosilca (manjša upornost) in manjša je toplotna prevodnost materiala (pomaga pri uravnavanju temperaturnega gradienta s prenosom naboja in gibanjem mrežnih fononov), večja je zmogljivost vezja kot generator električne energije. .

Vrednosti Z * T za kovine so običajno majhne, ​​ker je λ veliko. Po drugi strani pa izolatorjev tudi ni mogoče uporabiti zaradi svojih ogromnih ρ vrednosti. Zlata sredina je bila uporaba polprevodnikov.

Trenutno pri različnih temperaturah dobimo vrednosti Z * T≈1, kar pomeni naslednje: približno 10% porabljene toplote se pretvori v električno energijo (izkoristek = 10%). Da bi ta učinek lahko konkuriral sodobnim načinom proizvodnje električne energije, je potrebno razviti materiale, za katere bo Z * T 3-4.

Kjer se uporabi ta učinek

Najbolj priljubljena smer njegove uporabe so instrumenti za merjenje temperature, imenovani termočleni. Če je temperatura enega konca termočlena znana (soba), potem s potopitvijo drugega konca v telo, katerega temperaturo je treba določiti, in merjenje nastale emf, lahko zlahka najdemo neznano vrednost.

Glede na zadnje novice sta dve nemški avtomobilski družbi (Volkswagen in BMW) izjavili, da sta začeli uporabljati ta učinek za povečanje učinkovitosti bencinskega motorja. Ideja je, da se toplota, ki se oddaja iz izpušne cevi, uporabi za ustvarjanje termoelektrične energije. Po mnenju predstavnikov teh podjetij so na ta način uspeli zmanjšati kilometrino plina za 5%.

Serija Voyager sonde, katere naloga je raziskati prostor okoli nas, uporablja Seebeckov učinek za napajanje svoje elektronike. Dejstvo je, da sončnih baterij zunaj orbite Marsa ni mogoče uporabiti zaradi nizke gostote energije od Sonca. Na krovu Voyagerja je na plutonijevih izotopih nameščen termoelektrični generator: radioaktivni plutonijev oksid se razpade s sproščanjem toplote, ki jo uporablja par polprevodniških materialov (SiGe) za pretvorbo v elektriko.

Spin efekt

V zadnjem času so znanstveniki odkrili zanimiv pojav: če se magnetni kontakt Ni-Fe para segreje, se elektroni v celotnem materialu usmerijo na določen način, kar ustvarja magnetno polje. Ta pojav se imenuje Seebeckov spinski učinek. Lahko se uporablja za ustvarjanje magnetnih polj brez sodelovanja električnega toka.

Peltierjev učinek

To je ime pojava, ki ga je leta 1834 odkril Francoz Jean Peltier. Njegovo bistvo je v tem, da se električni tok skozi stik različnih materialov, bodisi segreva ali ohladi, odvisno od smeri gibanja nosilcev naboja. Uporablja se v tako imenovani Peltierjevi celici, ki lahko ogreva ali ohlaja okoliške objekte, na primer vodo, ko je priključena na potencialno razliko (električni tokokrog).

Peltierjevi in ​​Seebeckovi učinki so torej nasprotni.

Thomson Effect (Kelvin)

Vključen je tudi v seznam termoelektričnih pojavov. Leta 1851 ga je odprl Lord Kelvin (William Thomson). Združuje pojave, ki so jih opazili Peltier in Seebeck. Bistvo Thomsonovega učinka je naslednje: če se na koncih vodnika ustvari drugačna temperatura, nato pa se na njih uporabi napetost, bo vodnik začel izmenjati toploto z okoljem. To pomeni, da ga lahko ne le razporedi, ampak tudi absorbira, kar je odvisno od polarnosti potencialov in temperaturne razlike na koncih.

Razlika tega učinka od prejšnjih dveh je ta, da se izvaja na enem in ne na dveh različnih vodnikih.

Vsi trije termodinamični učinki so med seboj matematično povezani.