Термоелектричните явления са отделна тема във физиката, в която те разглеждат как температурата може да генерира електричество, а последните водят до промяна в температурата. Едно от първите открити термоелектрични явления е ефектът на Зеебек.
Предварителни условия за отваряне на ефекта
През 1797 г. италианският физик Алесандро Волта, провеждащ изследвания в областта на електричеството, открива едно от невероятните явления: той открива, че когато два твърди материала влязат в контакт, в контактната зона се появява потенциална разлика. Нарича се контактна разлика. Физически този факт означава, че контактната зона от различни материали има електродвижеща сила (EMF), която може да доведе до появата на ток в затворена верига. Ако сега два материала са свързани в една верига (за да образуват два контакта между тях), тогава на всеки от тях ще се появи определената ЕМП, която ще бъде еднаква по големина, но противоположна по знак. Последното обяснява защо не се генерира ток.
Причината за появата на ЕМП е различно ниво на Ферми (енергвалентни състояния на електроните) в различни материали. Когато последните влязат в контакт, нивото на Ферми се изравнява (в един материал намалява, в друг се увеличава). Този процес възниква поради преминаването на електрони през контакта, което води до появата на ЕМП.
Трябва да се отбележи веднага, че стойността на EMF е незначителна (от порядъка на няколко десети от волта).
Откриване на Томас Зеебек
Томас Зеебек (немски физик) през 1821 г., тоест 24 години след откриването на контактната потенциална разлика от Волт, провежда следния експеримент. Той свърза плоча от бисмут и мед и постави магнитна игла до тях. В този случай, както бе споменато по-горе, не се появи ток. Но щом ученият донесе пламъка на горелката до един от контактите на двата метала, магнитната стрелка започна да се върти.
Сега знаем, че силата на Ампер, създадена от токопроводящия проводник, го е причинила да се завърти, но по това време Зеебек не знаеше това, така че той погрешно предположи, че индуцираното намагнитване на металите възниква в резултат на температурата разлика.
Правилното обяснение за това явление беше дадено няколко години по-късно от датския физик Ханс Ерстед, който посочи, че говорим за термоелектричен процес и ток протича през затворена верига. Независимо от това, термоелектричният ефект, открит от Томас Зеебек, в момента носи неговото фамилно име.
Физика на текущите процеси
Още веднъж за консолидиране на материала: същността на ефекта на Seebeck е да предизвикаелектрически ток в резултат на поддържане на различни температури на два контакта от различни материали, които образуват затворена верига.
За да разберете какво се случва в тази система и защо в нея започва да тече ток, трябва да се запознаете с три явления:
- Първият вече беше споменат - това е възбуждането на ЕМП в контактната област поради подравняването на нивата на Ферми. Енергията на това ниво в материалите се променя с повишаване или понижаване на температурата. Последният факт ще доведе до появата на ток, ако два контакта са затворени във верига (условията на равновесието в зоната на контакт на метали при различни температури ще бъдат различни).
- Процесът на преместване на носители на заряд от горещи към студени региони. Този ефект може да се разбере, ако си спомним, че електроните в металите и електроните и дупките в полупроводниците могат в първо приближение да се считат за идеален газ. Както е известно, последният, когато се нагрява в затворен обем, повишава налягането. С други думи, в контактната зона, където температурата е по-висока, "налягането" на електронния (дупковия) газ също е по-високо, така че носителите на заряд са склонни да отиват към по-студените области на материала, тоест към друг контакт.
- Накрая, друго явление, което води до появата на ток в ефекта на Зеебек, е взаимодействието на фонони (вибрации на решетката) с носители на заряд. Ситуацията изглежда като фонон, който се движи от горещ кръстовище към студен, "удря" електрон (дупка) и му придава допълнителна енергия.
Маркирани три процесав резултат на това се определя появата на ток в описаната система.
Как се описва този термоелектричен феномен?
Много просто, за това въвеждат определен параметър S, който се нарича коефициент на Зеебек. Параметърът показва дали стойността на EMF се индуцира, ако температурната разлика на контакта се поддържа равна на 1 Келвин (градус по Целзий). Тоест, можете да напишете:
S=ΔV/ΔT.
Тук ΔV е ЕМП на веригата (напрежение), ΔT е температурната разлика между горещите и студените връзки (контактни зони). Тази формула е само приблизително вярна, тъй като S обикновено зависи от температурата.
Стойностите на коефициента на Seebeck зависят от естеството на материалите в контакт. Въпреки това определено можем да кажем, че за метални материали тези стойности са равни на единици и десетки μV/K, докато за полупроводниците те са стотици μV/K, тоест полупроводниците имат порядък по-голяма термоелектрическа сила от металите. Причината за този факт е по-силната зависимост на характеристиките на полупроводниците от температурата (проводимост, концентрация на носители на заряд).
Ефективност на процеса
Изненадващият факт за прехвърлянето на топлина в електричество отваря големи възможности за прилагане на това явление. Въпреки това за технологичното му използване е важна не само самата идея, но и количествените характеристики. Първо, както беше показано, получената ЕДС е доста малка. Този проблем може да бъде заобиколен чрез използване на последователно свързване на голям брой проводници (коетосе извършва в клетката на Пелтие, която ще бъде обсъдена по-долу).
На второ място, това е въпрос на ефективност на генериране на термоелектричество. И този въпрос остава отворен и до днес. Ефективността на ефекта на Seebeck е изключително ниска (около 10%). Тоест от цялата изразходвана топлина само една десета от нея може да се използва за извършване на полезна работа. Много лаборатории по света се опитват да увеличат тази ефективност, което може да се направи чрез разработване на материали от ново поколение, например с помощта на нанотехнологии.
Използване на ефекта, открит от Seebeck
Въпреки ниската ефективност, той все още намира своето приложение. По-долу са основните области:
- Термодвойка. Ефектът на Зеебек се използва успешно за измерване на температурите на различни обекти. Всъщност система от два контакта е термодвойка. Ако неговият коефициент S и температурата на един от краищата са известни, тогава чрез измерване на напрежението, което възниква във веригата, е възможно да се изчисли температурата на другия край. Термодвойки също се използват за измерване на плътността на лъчиста (електромагнитна) енергия.
- Производство на електричество от космически сонди. Изстреляни от човека сонди за изследване на нашата слънчева система или отвъд, използват ефекта на Seebeck за захранване на електрониката на борда. Това става благодарение на радиационен термоелектричен генератор.
- Прилагане на ефекта на Seebeck в съвременните автомобили. БМВ и Фолксваген обявихапоявата в техните автомобили на термоелектрически генератори, които ще използват топлината на газовете, отделяни от изпускателната тръба.
Други термоелектрични ефекти
Има три термоелектрични ефекта: Seebeck, Peltier, Thomson. Същността на първия вече е разгледана. Що се отнася до ефекта на Пелтие, той се състои в нагряване на единия контакт и охлаждане на другия, ако веригата, разгледана по-горе, е свързана към външен източник на ток. Тоест ефектите на Seebeck и Peltier са противоположни.
Ефектът на Томсън има същата природа, но се разглежда върху същия материал. Неговата същност е отделянето или поглъщането на топлина от проводник, през който протича ток и чиито краища се поддържат при различни температури.
клетка на Пелтие
Когато говорим за патенти за термогенераторни модули с ефекта на Seebeck, тогава, разбира се, първото нещо, което си спомнят, е клетката на Пелтие. Това е компактно устройство (4x4x0,4 cm), направено от серия от n- и p-тип проводници, свързани последователно. Можете да го направите сами. Ефектите на Seebeck и Peltier са в основата на нейната работа. Напреженията и токовете, с които работи са малки (3-5 V и 0,5 A). Както бе споменато по-горе, ефективността на неговата работа е много малка (≈10%).
Използва се за решаване на ежедневни задачи като отопление или охлаждане на вода в чаша или презареждане на мобилен телефон.
