Lämpösähköiset ilmiöt ovat erillinen aihe fysiikassa, jossa pohditaan, miten lämpötila voi tuottaa sähköä, ja jälkimmäinen johtaa lämpötilan muutokseen. Yksi ensimmäisistä löydetyistä lämpösähköisistä ilmiöistä oli Seebeck-ilmiö.
Edellytykset tehosteen avaamiselle
Vuonna 1797 italialainen fyysikko Alessandro Volta, joka suoritti tutkimusta sähkön alalla, havaitsi yhden hämmästyttävistä ilmiöistä: hän havaitsi, että kun kaksi kiinteää materiaalia joutuvat kosketuksiin, kontaktialueella ilmenee potentiaaliero. Sitä kutsutaan kontaktieroksi. Fyysisesti tämä tosiasia tarkoittaa, että erilaisten materiaalien kosketusvyöhykkeellä on sähkömotorinen voima (EMF), joka voi johtaa virran esiintymiseen suljetussa piirissä. Jos nyt kaksi materiaalia on kytketty yhteen piiriin (kaksi kosketusta muodostamaan niiden välille), jokaisessa niistä ilmestyy määritetty EMF, joka on suuruudeltaan sama, mutta etumerkillä vastakkainen. Jälkimmäinen selittää, miksi virtaa ei synny.
Syy EMF:n esiintymiseen on erilainen Fermi (energiaelektronien valenssitilat) eri materiaaleissa. Kun viimeksi mainitut joutuvat kosketuksiin, Fermi-taso tasoittuu (yhdessä materiaalissa se laskee, toisessa kasvaa). Tämä prosessi johtuu elektronien kulkemisesta koskettimen läpi, mikä johtaa EMF:n ilmaantumiseen.
On heti huomattava, että EMF-arvo on mitätön (muutaman kymmenesosan luokkaa).
Thomas Seebeckin löytö
Thomas Seebeck (saksalainen fyysikko) vuonna 1821, eli 24 vuotta sen jälkeen, kun Volt löysi kontaktipotentiaalieron, suoritti seuraavan kokeen. Hän liitti vismutti- ja kuparilevyn ja asetti niiden viereen magneettineulan. Tässä tapauksessa, kuten edellä mainittiin, virtaa ei esiintynyt. Mutta heti kun tiedemies toi polttimen liekin yhteen kahden metallin koskettimesta, magneettinen neula alkoi pyöriä.
Nyt tiedämme, että virtaa kuljettavan johtimen luoma Ampère-voima sai sen kääntymään, mutta Seebeck ei silloin tiennyt tätä, joten hän oletti virheellisesti, että metallien indusoitunut magnetoituminen tapahtuu lämpötilan seurauksena ero.
Oikean selityksen tälle ilmiölle antoi muutama vuosi myöhemmin tanskalainen fyysikko Hans Oersted, joka huomautti, että puhumme lämpösähköisestä prosessista ja virta kulkee suljetun piirin läpi. Siitä huolimatta Thomas Seebeckin löytämä lämpösähköinen vaikutus kantaa tällä hetkellä hänen sukunimeään.
Käynnissä olevien prosessien fysiikka
Jälleen kerran lujittaakseni materiaalia: Seebeck-ilmiön ydin on saada aikaansähkövirta, joka johtuu kahden eri materiaalista olevan koskettimen eri lämpötilojen ylläpitämisestä, jotka muodostavat suljetun piirin.
Ymmärtääksesi mitä tässä järjestelmässä tapahtuu ja miksi virta alkaa kulkea siinä, sinun tulee tutustua kolmeen ilmiöön:
- Ensimmäinen on jo mainittu - tämä on EMF:n viritys kosketusalueella Fermi-tasojen kohdistuksen vuoksi. Tämän tason energia materiaaleissa muuttuu lämpötilan noustessa tai laskeessa. Jälkimmäinen tosiasia johtaa virran esiintymiseen, jos kaksi kosketinta on suljettuna piirissä (tasapainoolosuhteet metallien kosketusvyöhykkeellä eri lämpötiloissa ovat erilaiset).
- Varauksenkuljettajien siirtäminen kuumilta alueilta kylmille alueille. Tämä vaikutus voidaan ymmärtää, jos muistamme, että metallien elektroneja ja puolijohteiden elektroneja ja reikiä voidaan ensimmäisessä likiarvossa pitää ihanteellisena kaasuna. Kuten tiedetään, jälkimmäinen nostaa painetta suljetussa tilavuudessa kuumennettaessa. Toisin sanoen kontaktivyöhykkeellä, jossa lämpötila on korkeampi, elektroni(reikä)kaasun "paine" on myös korkeampi, joten varauksenkuljettajat pyrkivät menemään materiaalin kylmemmille alueille, eli toiseen kosketukseen.
- Lopuksi toinen ilmiö, joka johtaa virran esiintymiseen Seebeck-ilmiössä, on fononien (hilavärähtelyjen) vuorovaikutus varauksenkuljettajien kanssa. Tilanne näyttää fononilta, joka siirtyy kuumasta risteyksestä kylmään risteykseen, "lyö" elektroniin (reikään) ja antaa siihen lisäenergiaa.
merkitty kolme prosessiatuloksena määritetään virran esiintyminen kuvatussa järjestelmässä.
Miten tätä lämpösähköistä ilmiötä kuvataan?
Hyvin yksinkertainen, tätä varten he ottavat käyttöön tietyn parametrin S, jota kutsutaan Seebeck-kertoimeksi. Parametri näyttää, syntyykö EMF-arvo, jos kosketuslämpötilan ero pidetään 1 Kelvinissä (celsiusaste). Eli voit kirjoittaa:
S=ΔV/ΔT.
Tässä ΔV on piirin EMF (jännite), ΔT on kuuman ja kylmän liitoskohdan (kosketusvyöhykkeiden) välinen lämpötilaero. Tämä kaava on vain suunnilleen oikea, koska S riippuu yleensä lämpötilasta.
Seebeck-kertoimen arvot riippuvat kosketuksissa olevien materiaalien laadusta. Siitä huolimatta voidaan ehdottomasti sanoa, että metallimateriaaleille nämä arvot ovat yhtä suuria yksiköitä ja kymmeniä μV/K, kun taas puolijohteilla ne ovat satoja μV/K, eli puolijohteiden lämpösähkövoima on suuruusluokkaa suurempi kuin metallien.. Syynä tähän on puolijohteiden ominaisuuksien voimakkaampi riippuvuus lämpötilasta (johtavuus, varauksenkuljettajien pitoisuus).
Prosessin tehokkuus
Yllättävä tosiasia lämmön siirtymisestä sähköksi avaa suuria mahdollisuuksia tämän ilmiön soveltamiseen. Siitä huolimatta sen teknisen käytön kann alta ei vain idea itse ole tärkeä, vaan myös määrälliset ominaisuudet. Ensinnäkin, kuten on osoitettu, tuloksena oleva emf on melko pieni. Tämä ongelma voidaan kiertää käyttämällä useiden johtimien sarjakytkentää (jokatehdään Peltier-solussa, josta keskustellaan jäljempänä).
Toiseksi kyse on lämpösähkön tuotannon tehokkuudesta. Ja tämä kysymys on avoinna tähän päivään asti. Seebeck-ilmiön tehokkuus on erittäin alhainen (noin 10 %). Eli kaikesta käytetystä lämmöstä vain kymmenesosa voidaan käyttää hyödylliseen työhön. Monet laboratoriot ympäri maailmaa yrittävät lisätä tätä tehokkuutta, mikä voidaan tehdä kehittämällä uuden sukupolven materiaaleja esimerkiksi nanoteknologian avulla.
Käyttäen Seebeckin löytämää vaikutusta
Halaasta tehokkuudesta huolimatta sille löytyy käyttöä. Alla ovat pääalueet:
- Termopari. Seebeck-ilmiötä käytetään menestyksekkäästi eri kohteiden lämpötilojen mittaamiseen. Itse asiassa kahden koskettimen järjestelmä on termopari. Jos sen kerroin S ja toisen pään lämpötila tunnetaan, niin piirissä esiintyvä jännite mittaamalla voidaan laskea toisen pään lämpötila. Termopareja käytetään myös säteilyenergian (sähkömagneettisen) tiheyden mittaamiseen.
- Sähkön tuottaminen avaruusluotaimella. Ihmisen laukaisemat anturit aurinkokuntamme tutkimiseen tai sen ulkopuolelle käyttävät Seebeck-ilmiötä aluksen elektroniikan tehostamiseksi. Tämä tapahtuu lämpösähköisen säteilygeneraattorin ansiosta.
- Seebeck-efektin käyttö nykyaikaisissa autoissa. BMW ja Volkswagen ilmoittivatheidän autoihinsa ilmestyvät lämpösähköiset generaattorit, jotka käyttävät pakoputkesta vapautuvien kaasujen lämpöä.
Muut lämpösähköiset efektit
On kolme lämpösähköistä vaikutusta: Seebeck, Peltier, Thomson. Ensimmäisen ydin on jo pohdittu. Mitä tulee Peltier-ilmiöön, se koostuu yhden koskettimen lämmittämisestä ja toisen jäähdyttämisestä, jos edellä mainittu piiri on kytketty ulkoiseen virtalähteeseen. Eli Seebeckin ja Peltierin vaikutukset ovat päinvastaisia.
Thomson-ilmiöllä on sama luonne, mutta sitä tarkastellaan samassa materiaalissa. Sen ydin on lämmön vapautuminen tai imeytyminen johtimessa, jonka läpi virta kulkee ja jonka päät pidetään eri lämpötiloissa.
Peltier solu
Kun puhutaan Seebeck-ilmiötä sisältävien lämpögeneraattorimoduulien patenteista, ensimmäinen asia, jonka he muistavat, on tietysti Peltier-kenno. Se on kompakti laite (4x4x0,4 cm), joka on valmistettu sarjasta sarjaan kytkettyjä n- ja p-tyypin johtimia. Voit tehdä sen itse. Seebeck- ja Peltier-efektit ovat hänen työnsä ytimessä. Jännitteet ja virrat, joilla se toimii, ovat pieniä (3-5 V ja 0,5 A). Kuten edellä mainittiin, sen työn tehokkuus on hyvin pieni (≈10 %).
Sillä ratkaistaan arkipäiväisiä tehtäviä, kuten veden lämmitys tai jäähdytys mukissa tai matkapuhelimen lataaminen.
