Сеебецк ефекат: опис, објашњење и употреба

Главни метод производње великих количина електричне енергије се тренутно изводи због појаве електромагнетске индукције, која укључује механичко кретање водича у магнетном пољу. Међутим, постоји још један начин да се добије ова врста енергије: употребом температуре. Да бисмо разумели суштину овог процеса, треба узети у обзир Сеебецк ефекат.

Термоелектрични процеси

У физици, ова фраза се односи на процесе реверзибилне природе, који су повезани са феноменима преноса набоја (електрична струја) и топлотом (топлотна проводљивост). Постоје три различите термоелектричне појаве које су међусобно повезане. То су ефекти:

• Сеебецк;
• Пелтиер;
• Тхомсон (Келвин).

Треба приметити да Јоулеов ефекат, који је зрачење проводника топлоте када струја пролази кроз њега, није укључен у горе наведену листу, јер је то неповратан процес.

Откриће Тхомаса Јоханна Сеебецка

Естонски-немачки физичар Тхомас Сеебецк је 1821. године спровео један занимљив експеримент: између њих је спојио две плоче, које су направљене од различитих материјала (бизмут и бакар) у затвореној петљи. Онда је загрејао један од контаката. Научник је приметио да је магнетна игла компаса, која се налазила близу проводног кола, почела да мења свој правац. Као резултат тога, научник је одлучио да су два материјала (бакар и бизмут) различито поларизовани као резултат дејства топлоте, па је он одредио отворени ефекат као термомагнетски, а не термоелектрични.

Након тога, дански научник Ханс Оерстед дао је исправно објашњење ефекта који је Сеебецк открио, називајући га термоелектричним процесом.

Суштина отвореног ефекта

Из горњег параграфа могуће је самостално закључити да је то термоелектрични феномен. Његова суштина је следећа: ако спојите два материјала између себе у једном кругу и подвргнете њихове контакте температурним разликама, тада ће струја тећи у кругу.

Обратите пажњу да за посматрање овог ефекта морају бити испуњени следећи услови:

• Присуство затвореног круга (у отвореном кругу не постоји електрична струја).
• Присуство контакта са два различита метала (ако су проводници доведени у контакт направљени од истог материјала, онда се не уочава разлика потенцијала). Ови материјали могу бити такви парови као метал и други метал, метал и полупроводник, или два полупроводника различитих типова (п и н).
• Присуство температурне разлике између два контакта проводника. Ова разлика је у основи феномена ЕМФ (електромоторна сила). Имајте на уму да је то контакт два материјала који треба да се загревају (охладе), а не било који од њих.

Физичко објашњење ефекта

Описани термоелектрични ефекат је прилично компликован феномен. Да бисмо га разумели, размотримо систем који се састоји од бакарних и гвоздених проводника међусобно повезаних. Обратите пажњу на процесе који се јављају у зони контакта Цу-Фе, који се загрева. Прибављањем додатне кинетичке енергије, електрони у подручју загријавања стварају већи "тлак" електронског плина, те стога теже да побјегну из њега у хладнији крај круга. Напротив, контакт Цу-Фе, који се хлади, узрокује губитак кинетичке енергије носача набоја, то доводи до смањења притиска који стварају у контактној зони. Ово последње доводи до привлачења бесплатних носилаца наплате у хладни регион.

Ако би метали у контакту били исти, онда би брзине дрифта електрона као резултат температурне разлике биле исте, а њихови правци у сваком проводнику би били супротни, тј. Није било потенцијалне разлике. Али пошто метали имају различиту природу, различито реагују на топлоту (промена "притиска" електрона и брзина њиховог померања су различити за Фе и Цу). То је разлог појаве ЕМФ-а у зони контакта.

Треба напоменути да је при објашњавању физике процеса коришћен аналогија са идеалним гасом.

Правац настајуће топлотне струје, као и њена величина, одређен је природом метала, температурном разликом контаката, као и карактеристикама самог електричног затвореног круга.

Ако посматрамо физику процеса за пар метал-полупроводник, онда се он неће разликовати од оног за разматрани метал-метал пар. Примена температурне разлике на два метална контакта са полупроводником у последњем узрокује проток електрона (н-тип) или рупа (п-тип) из врућег у хладни регион, што доводи до појаве потенцијалне разлике.

Ако се температурна разлика не одржава услед одвођења топлоте из хладне зоне и њеног снабдевања топлим контактом, тада се у кругу брзо успоставља термодинамичка равнотежа, а струја престаје да тече.

Математички опис феномена који се разматра

Схвативши шта је Сеебецк ефекат, можете прећи на питање његовог математичког описа. Овде је главна количина тзв. Сеебецк коефицијент. Изражава се формулом:

С _АБ = (В ₂ -В ₁ ) / (Т ₂ -Т ₁ ) = ΔВ / ΔТ.

Овде су В ₂ и В ₁ вредности електричних потенцијала у подручју врућих и хладних контаката, Т2-Т1 су температурне разлике ових контаката, А и Б су два материјала разматраног затвореног круга.

Физичко значење коефицијента С _АБ је то што показује какву врсту емф се може добити применом разлике температуре на контакте једнаке 1 келвина. Типичне вредности С _АБ за савремене термоелектричне материјале су неколико десетина или стотине микроволти по келвину.

Коефицијент С _АБ није константа за проводнике А и Б, зависи од температуре.

Ефикасност процеса

Ово је најзанимљивије и најрелевантније питање које се тиче разматраног термоелектричног ефекта. Ако је применом температурне разлике на коло могуће произвести електричну енергију, онда се овај феномен може користити уместо уобичајених генератора заснованих на електромагнетној индукцији. Овај закључак је тачан ако је ефикасност Сеебецк ефекта довољно висока.

Да би се проценила ефикасност, уобичајено је користити следећи израз:

З * Т = (С _АБ ) ² * Т / (ρ * λ).

Овде ρ је електрични отпор, λ је коефицијент топлотне проводљивости, З је фактор ефикасности термоелектричног феномена.

Овај израз је лако разумљив: што је Сеебецков коефицијент већи, већа је мобилност носача (мање отпора) и мања је топлотна проводљивост материјала (помаже у изједначавању температурног градијента кроз пренос пуњења и кретање решеткастих фонона), то је већи учинак кола као генератора струје. .

З * Т вредности за метале су обично ниске, јер је λ велика. Са друге стране, изолатори се такође не могу користити због својих огромних ρ вредности. Златна средина била је употреба полупроводника.

Тренутно се за различите температуре добијају вредности З * Т≈1, што значи следеће: око 10% потрошене топлоте претвара се у електричну енергију (ефикасност = 10%). Да би овај ефекат био у стању да се такмичи са савременим начинима производње електричне енергије, потребно је развити материјале за које ће З * Т бити 3-4.

Где се користи овај ефекат

Најпопуларнији правац његове употребе су инструменти за мерење температуре, названи термопарови. Ако је позната температура једног краја термопара (просторија), затим урањањем његовог другог краја у тело, чија температура треба да се одреди, и мерењем резултујуће емф, лако се може пронаћи непозната вредност.

Према најновијим вестима, две немачке аутомобилске компаније (Волксваген и БМВ) наводе да су почеле да примењују овај ефекат како би повећале ефикасност бензинског мотора. Идеја је да се топлота која се емитује из испушне цеви користи за генерисање термоелектричности. Према представницима ових компанија, на тај начин су успјели смањити километражу плина за 5%.

Воиагер серија сонде, чија је мисија истражити простор око нас, користи Сеебецк ефекат за напајање своје електронике. Чињеница је да се соларне батерије изван орбите Марса не могу користити због ниске густине енергије од Сунца. На броду Воиагер, уграђен је термоелектрични генератор на изотопима плутонија: радиоактивни плутонијум оксид се распада са ослобађањем топлоте, коју користи пар полупроводничких материјала (СиГе) за претварање у електричну енергију.

Спин еффецт

Недавно су научници открили занимљив феномен: ако се магнетни контакт Ни-Фе пара загреје, електронски центри у целом материјалу су оријентисани на одређени начин, што ствара магнетно поље. Овај феномен се назива Сеебецк спин ефекат. Може се користити за стварање магнетних поља без учешћа електричне струје.

Пелтиер ефект

Ово је име феномена који је 1834. године открио Француз Жан Пелтиер. Његова суштина је у томе што ако се електрична струја прође кроз контакт различитих материјала, она ће се или загрејати или охладити у зависности од правца кретања носача набоја. Користи се у такозваној Пелтиер-овој ћелији, која је способна да загрева или хлади околне објекте, на пример воду, када је повезана са потенцијалном разликом (електрични круг).

Дакле, ефекти Пелтиера и Сеебецка су међусобно супротни.

Тхомсон Еффецт (Келвин)

Она је такође укључена у листу термоелектричних феномена. Отворио га је лорд Келвин (Виллиам Тхомсон) 1851. године. Он комбинује феномене које су посматрали Пелтиер и Сеебецк. Суштина Тхомсон ефекта је следећа: ако се на крајевима проводника ствара другачија температура и онда се на њих примени напон, проводник ће почети да размењује топлоту са околином. То јест, не само да га може алоцирати, него и апсорбирати, што зависи од поларитета потенцијала и температурне разлике на крајевима.

Разлика овог ефекта од претходна два је што је имплементиран на једном, а не на два различита проводника.

Сва три термодинамичка ефекта математички су међусобно повезана.