Termo-elektriese verskynsels is 'n aparte onderwerp in fisika, waarin hulle oorweeg hoe temperatuur elektrisiteit kan opwek, en laasgenoemde lei tot 'n verandering in temperatuur. Een van die eerste ontdekte termo-elektriese verskynsels was die Seebeck-effek.
Voorvereistes vir die opening van die effek
In 1797 het die Italiaanse fisikus Alessandro Volta, wat navorsing op die gebied van elektrisiteit gedoen het, een van die wonderlike verskynsels ontdek: hy het ontdek dat wanneer twee soliede materiale in aanraking kom, 'n potensiële verskil in die kontakarea voorkom. Dit word die kontakverskil genoem. Fisies beteken hierdie feit dat die kontaksone van ongelyksoortige materiale 'n elektromotoriese krag (EMK) het wat kan lei tot die verskyning van 'n stroom in 'n geslote stroombaan. As nou twee materiale in een stroombaan verbind is (om twee kontakte tussen hulle te vorm), sal die gespesifiseerde EMF op elkeen van hulle verskyn, wat dieselfde in grootte sal wees, maar teenoorgestelde in teken. Laasgenoemde verduidelik hoekom geen stroom opgewek word nie.
Die rede vir die voorkoms van EMF is 'n ander vlak van Fermi (energievalensietoestande van elektrone) in verskillende materiale. Wanneer laasgenoemde in aanraking kom, vlak die Fermi-vlak af (in een materiaal neem dit af, in 'n ander neem dit toe). Hierdie proses vind plaas as gevolg van die deurgang van elektrone deur die kontak, wat lei tot die verskyning van 'n EMK.
Daar moet dadelik op gelet word dat die EMF-waarde weglaatbaar is (in die orde van 'n paar tiendes van 'n volt).
Ontdekking van Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (Duitse fisikus) het in 1821, dit wil sê 24 jaar na die ontdekking van die kontakpotensiaalverskil deur Volt, die volgende eksperiment uitgevoer. Hy het 'n plaat bismut en koper verbind en 'n magnetiese naald langs hulle geplaas. In hierdie geval, soos hierbo genoem, het geen stroom voorgekom nie. Maar sodra die wetenskaplike die vlam van die brander na een van die kontakte van die twee metale gebring het, het die magnetiese naald begin draai.
Nou weet ons dat die Ampère-krag wat deur die stroomdraende geleier geskep is dit laat draai het, maar op daardie tydstip het Seebeck dit nie geweet nie, daarom het hy verkeerdelik aangeneem dat die geïnduseerde magnetisering van metale plaasvind as gevolg van die temperatuur verskil.
Die korrekte verduideliking vir hierdie verskynsel is 'n paar jaar later gegee deur die Deense fisikus Hans Oersted, wat daarop gewys het dat ons praat van 'n termo-elektriese proses, en 'n stroom vloei deur 'n geslote stroombaan. Nietemin, die termo-elektriese effek wat deur Thomas Seebeck ontdek is, dra tans sy van.
Fisika van deurlopende prosesse
Weereens om die materiaal te konsolideer: die essensie van die Seebeck-effek is om te veroorsaakelektriese stroom as gevolg van die handhawing van verskillende temperature van twee kontakte van verskillende materiale, wat 'n geslote stroombaan vorm.
Om te verstaan wat in hierdie stelsel gebeur, en hoekom stroom daarin begin loop, moet jy met drie verskynsels kennis maak:
- Die eerste een is reeds genoem - dit is die opwekking van die EMF in die kontakstreek as gevolg van die belyning van die Fermi-vlakke. Die energie van hierdie vlak in materiale verander soos die temperatuur styg of daal. Laasgenoemde feit sal lei tot die verskyning van 'n stroom as twee kontakte in 'n stroombaan gesluit word (die ewewigstoestande in die kontaksone van metale by verskillende temperature sal verskillend wees).
- Die proses om ladingdraers van warm na koue streke te verskuif. Hierdie effek kan verstaan word as ons onthou dat elektrone in metale en elektrone en gate in halfgeleiers, in die eerste benadering, as 'n ideale gas beskou kan word. Soos bekend, verhoog laasgenoemde, wanneer dit in 'n geslote volume verhit word, die druk. Met ander woorde, in die kontaksone, waar die temperatuur hoër is, is die "druk" van die elektron (gat) gas ook hoër, so ladingdraers is geneig om na kouer areas van die materiaal te gaan, dit wil sê na 'n ander kontak.
- Laastens, nog 'n verskynsel wat lei tot die verskyning van stroom in die Seebeck-effek, is die interaksie van fonone (roostervibrasies) met ladingdraers. Die situasie lyk soos 'n fonon wat van 'n warm aansluiting na 'n koue aansluiting beweeg, 'n elektron (gat) "slaan" en addisionele energie daaraan gee.
Gemerk drie prosessegevolglik word die voorkoms van stroom in die beskryfde stelsel bepaal.
Hoe word hierdie termo-elektriese verskynsel beskryf?
Baie eenvoudig, hiervoor stel hulle 'n sekere parameter S bekend, wat die Seebeck-koëffisiënt genoem word. Die parameter wys of die EMF-waarde geïnduseer word as die kontaktemperatuurverskil gelyk aan 1 Kelvin (graad Celsius) gehandhaaf word. Dit wil sê, jy kan skryf:
S=ΔV/ΔT.
Hier is ΔV die EMK van die stroombaan (spanning), ΔT is die temperatuurverskil tussen die warm en koue aansluitings (kontaksones). Hierdie formule is slegs ongeveer korrek, aangesien S oor die algemeen van temperatuur afhang.
Die waardes van die Seebeck-koëffisiënt hang af van die aard van die materiale wat in kontak is. Nietemin kan ons beslis sê dat hierdie waardes vir metaalmateriale gelyk is aan eenhede en tientalle μV/K, terwyl dit vir halfgeleiers honderde μV/K is, dit wil sê, halfgeleiers het 'n orde van grootte groter termo-elektriese krag as metale. Die rede vir hierdie feit is 'n sterker afhanklikheid van die eienskappe van halfgeleiers van temperatuur (geleiding, konsentrasie van ladingsdraers).
Prosesdoeltreffendheid
Die verrassende feit van die oordrag van hitte na elektrisiteit bied groot geleenthede vir die toepassing van hierdie verskynsel. Nietemin, vir sy tegnologiese gebruik, is nie net die idee self belangrik nie, maar ook kwantitatiewe kenmerke. Eerstens, soos aangetoon, is die gevolglike emk redelik klein. Hierdie probleem kan omseil word deur 'n serieverbinding van 'n groot aantal geleiers (watword in die Peltier-sel gedoen, wat hieronder bespreek sal word).
Tweedens, dit is 'n kwessie van termo-elektrisiteit opwekking doeltreffendheid. En hierdie vraag bly tot vandag toe oop. Die doeltreffendheid van die Seebeck-effek is uiters laag (ongeveer 10%). Dit wil sê, van al die hitte wat verbruik word, kan slegs een tiende daarvan gebruik word om nuttige werk te verrig. Baie laboratoriums regoor die wêreld probeer om hierdie doeltreffendheid te verhoog, wat gedoen kan word deur nuwe generasie materiale te ontwikkel, byvoorbeeld deur nanotegnologie te gebruik.
Gebruik die effek wat deur Seebeck ontdek is
Ondanks die lae doeltreffendheid vind dit steeds sy gebruik. Hieronder is die hoofareas:
- Termokoppel. Die Seebeck-effek word suksesvol gebruik om die temperature van verskeie voorwerpe te meet. Trouens, 'n stelsel van twee kontakte is 'n termokoppel. As sy koëffisiënt S en die temperatuur van een van die punte bekend is, dan is dit moontlik om die temperatuur van die ander kant te bereken deur die spanning wat in die stroombaan voorkom, te meet. Termokoppels word ook gebruik om die digtheid van straling (elektromagnetiese) energie te meet.
- Opwekking van elektrisiteit op ruimtesondes. Mensgelanseerde sondes om ons sonnestelsel of verder te verken, gebruik die Seebeck-effek om die elektronika aan boord aan te dryf. Dit word gedoen danksy 'n straling termo-elektriese kragopwekker.
- Toepassing van die Seebeck-effek in moderne motors. BMW en Volkswagen aangekondigdie voorkoms in hul motors van termo-elektriese kragopwekkers wat die hitte sal gebruik van gasse wat deur die uitlaatpyp vrygestel word.
Ander termo-elektriese effekte
Daar is drie termo-elektriese effekte: Seebeck, Peltier, Thomson. Die essensie van die eerste is reeds oorweeg. Wat die Peltier-effek betref, bestaan dit uit die verhitting van een kontak en die afkoeling van die ander, as die stroombaan wat hierbo bespreek is, aan 'n eksterne stroombron gekoppel is. Dit wil sê, die Seebeck- en Peltier-effekte is teenoorgestelde.
Die Thomson-effek het dieselfde aard, maar dit word op dieselfde materiaal beskou. Die kern daarvan is die vrystelling of absorpsie van hitte deur 'n geleier waardeur stroom vloei en waarvan die punte by verskillende temperature gehou word.
Peltier-sel
Wanneer ons praat oor patente vir termo-generatormodules met die Seebeck-effek, dan is die eerste ding wat hulle onthou natuurlik die Peltier-sel. Dit is 'n kompakte toestel (4x4x0,4 cm) gemaak van 'n reeks n- en p-tipe geleiers wat in serie gekoppel is. Jy kan dit self maak. Die Seebeck- en Peltier-effekte is die kern van haar werk. Die spannings en strome waarmee dit werk is klein (3-5 V en 0,5 A). Soos hierbo genoem, is die doeltreffendheid van sy werk baie klein (≈10%).
Dit word gebruik om alledaagse take op te los soos om water in 'n beker te verhit of af te koel of om 'n selfoon te herlaai.
