Termoelektrični fenomeni su posebna tema u fizici, u kojoj se razmatra kako temperatura može proizvesti električnu energiju, a ove druge dovode do promjene temperature. Jedan od prvih otkrivenih termoelektričnih fenomena bio je Seebeckov efekat.
Preduvjeti za otvaranje efekta
Godine 1797. italijanski fizičar Alessandro Volta, koji je sproveo istraživanje u oblasti elektriciteta, otkrio je jedan od nevjerovatnih fenomena: otkrio je da kada dva čvrsta materijala dođu u kontakt, u području kontakta pojavljuje se razlika potencijala. To se zove kontaktna razlika. Fizički, ova činjenica znači da kontaktna zona različitih materijala ima elektromotornu silu (EMF) koja može dovesti do pojave struje u zatvorenom kolu. Ako su sada dva materijala povezana u jedan krug (da formiraju dva kontakta između njih), tada će se na svakom od njih pojaviti navedeni EMF, koji će biti isti po veličini, ali suprotnog predznaka. Ovo posljednje objašnjava zašto se struja ne stvara.
Razlog za pojavu EMF-a je drugačiji nivo Fermija (energijevalentna stanja elektrona) u različitim materijalima. Kada potonji dođu u kontakt, nivo Fermija se snižava (u jednom materijalu opada, u drugom raste). Ovaj proces nastaje zbog prolaska elektrona kroz kontakt, što dovodi do pojave EMF-a.
Odmah treba napomenuti da je EMF vrijednost zanemarljiva (reda nekoliko desetina volta).
Otkriće Thomasa Seebecka
Thomas Seebeck (njemački fizičar) je 1821. godine, odnosno 24 godine nakon što je Volt otkrio kontaktnu potencijalnu razliku, izveo sljedeći eksperiment. Spojio je ploču od bizmuta i bakra, a pored njih stavio magnetnu iglu. U ovom slučaju, kao što je gore navedeno, nije došlo do struje. Ali čim je naučnik doveo plamen gorionika do jednog od kontakata dva metala, magnetna igla je počela da se okreće.
Sada znamo da je Amperova sila koju stvara strujni provodnik izazvala njegovo okretanje, ali u to vrijeme Seebeck to nije znao, pa je pogrešno pretpostavio da se indukovana magnetizacija metala javlja kao rezultat temperature razlika.
Ispravno objašnjenje za ovu pojavu dao je nekoliko godina kasnije danski fizičar Hans Oersted, koji je istakao da je riječ o termoelektričnom procesu, a struja teče kroz zatvoreno kolo. Ipak, termoelektrični efekat koji je otkrio Thomas Seebeck trenutno nosi njegovo prezime.
Fizika tekućih procesa
Još jednom za konsolidaciju materijala: suština Seebeckovog efekta je da podstakneelektrična struja kao rezultat održavanja različitih temperatura dva kontakta od različitih materijala, koji formiraju zatvoreno kolo.
Da biste razumeli šta se dešava u ovom sistemu i zašto u njemu počinje da teče struja, trebalo bi da se upoznate sa tri fenomena:
- Prvi je već spomenut - ovo je pobuda EMF-a u kontaktnoj regiji zbog poravnanja Fermijevih nivoa. Energija ovog nivoa u materijalima se mijenja kako temperatura raste ili pada. Posljednja činjenica će dovesti do pojave struje ako su dva kontakta zatvorena u kolu (ravnotežni uslovi u zoni kontakta metala na različitim temperaturama će biti različiti).
- Proces premještanja nosača naboja iz toplih u hladne regije. Ovaj efekat se može razumjeti ako se sjetimo da se elektroni u metalima i elektroni i rupe u poluvodičima mogu, u prvoj aproksimaciji, smatrati idealnim plinom. Kao što je poznato, potonji, kada se zagrije u zatvorenom volumenu, povećava pritisak. Drugim riječima, u kontaktnoj zoni, gdje je temperatura viša, veći je i "pritisak" plina elektrona (rupa), pa nosioci naboja teže odlasku u hladnije dijelove materijala, odnosno u drugi kontakt.
- Konačno, još jedan fenomen koji dovodi do pojave struje u Seebeck efektu je interakcija fonona (vibracije rešetke) sa nosiocima naboja. Situacija izgleda kao da fonon, koji se kreće od toplog spoja do hladnog spoja, "pogodi" elektron (rupu) i daje mu dodatnu energiju.
Označena tri procesakao rezultat, utvrđuje se pojava struje u opisanom sistemu.
Kako je opisan ovaj termoelektrični fenomen?
Vrlo jednostavno, za to uvode određeni parametar S, koji se zove Seebeck koeficijent. Parametar pokazuje da li se vrijednost EMF inducira ako se kontaktna temperaturna razlika održava jednakom 1 Kelvin (stepen Celzijusa). Odnosno, možete napisati:
S=ΔV/ΔT.
Ovdje je ΔV EMF kola (napon), ΔT je temperaturna razlika između toplih i hladnih spojeva (kontaktne zone). Ova formula je samo približno tačna, pošto S općenito ovisi o temperaturi.
Vrijednosti Seebeck koeficijenta zavise od prirode materijala u kontaktu. Ipak, definitivno možemo reći da su za metalne materijale ove vrijednosti jednake jedinicama i desetinama μV/K, dok su za poluvodiče stotine μV/K, odnosno da poluvodiči imaju za red veličine veću termoelektričnu silu od metala.. Razlog za ovu činjenicu je jača zavisnost karakteristika poluprovodnika od temperature (provodljivost, koncentracija nosioca naboja).
Efikasnost procesa
Iznenađujuća činjenica prelaska toplote u električnu energiju otvara velike mogućnosti za primjenu ovog fenomena. Ipak, za njegovu tehnološku upotrebu nije važna samo ideja, već i kvantitativne karakteristike. Prvo, kao što je pokazano, rezultujuća emf je prilično mala. Ovaj problem se može zaobići korištenjem serijske veze velikog broja provodnika (kojise radi u Peltier ćeliji, o čemu će biti riječi u nastavku).
Drugo, radi se o efikasnosti proizvodnje termoelektrične energije. I ovo pitanje ostaje otvoreno do danas. Efikasnost Seebeck efekta je izuzetno niska (oko 10%). To jest, od sve utrošene topline, samo jedna desetina se može iskoristiti za obavljanje korisnog rada. Mnoge laboratorije širom svijeta pokušavaju povećati ovu efikasnost, što se može postići razvojem materijala nove generacije, na primjer, korištenjem nanotehnologije.
Korišćenje efekta koji je otkrio Seebeck
Uprkos niskoj efikasnosti, još uvijek nalazi svoju primjenu. Ispod su glavne oblasti:
- Termopar. Seebeckov efekat se uspješno koristi za mjerenje temperature različitih objekata. U stvari, sistem od dva kontakta je termopar. Ako su poznati njegov koeficijent S i temperatura jednog od krajeva, tada je mjerenjem napona koji se javlja u kolu moguće izračunati temperaturu drugog kraja. Termoparovi se također koriste za mjerenje gustine zračenja (elektromagnetne) energije.
- Proizvodnja električne energije na svemirskim sondama. Sonde koje su lansirali ljudi za istraživanje našeg solarnog sistema ili dalje koriste Seebeck efekat za napajanje elektronike na brodu. Ovo se postiže zahvaljujući radijacijskom termoelektričnom generatoru.
- Primjena Seebeck efekta u modernim automobilima. Najavili su BMW i Volkswagenpojavu u njihovim automobilima termoelektričnih generatora koji će koristiti toplotu gasova emitovanih iz izduvne cevi.
Drugi termoelektrični efekti
Postoje tri termoelektrična efekta: Seebeck, Peltier, Thomson. Suština prvog je već razmotrena. Što se tiče Peltierovog efekta, on se sastoji u zagrijavanju jednog kontakta i hlađenju drugog, ako je krug o kojem se govorilo spojen na vanjski izvor struje. To jest, efekti Seebeck i Peltier su suprotni.
Tomsonov efekat ima istu prirodu, ali se smatra na istom materijalu. Njegova suština je oslobađanje ili apsorpcija toplote provodnikom kroz koji teče struja i čiji se krajevi održavaju na različitim temperaturama.
Peltierova ćelija
Kada govorimo o patentima za termogeneratorske module sa Seebeck efektom, onda, naravno, prvo čega se sećaju je Peltierova ćelija. To je kompaktan uređaj (4x4x0,4 cm) napravljen od niza provodnika n- i p-tipa povezanih u nizu. Možete ga napraviti sami. Seebeck i Peltier efekti su u srcu njenog rada. Naponi i struje sa kojima radi su mali (3-5 V i 0,5 A). Kao što je već pomenuto, efikasnost njegovog rada je veoma mala (≈10%).
Koristi se za rješavanje svakodnevnih zadataka kao što su grijanje ili hlađenje vode u šolji ili punjenje mobilnog telefona.
