Termoelektrični pojavi so v fiziki ločena tema, v kateri razmišljajo o tem, kako lahko temperatura generira elektriko, pri čemer slednji vodijo do spremembe temperature. Eden prvih odkritih termoelektričnih pojavov je bil Seebeckov učinek.
Predpogoji za odpiranje učinka
Leta 1797 je italijanski fizik Alessandro Volta, ki je izvajal raziskave na področju elektrike, odkril enega od neverjetnih pojavov: odkril je, da se ob stiku dveh trdnih materialov v kontaktnem območju pojavi potencialna razlika. Imenuje se kontaktna razlika. Fizično to dejstvo pomeni, da ima kontaktno območje različnih materialov elektromotorno silo (EMF), ki lahko povzroči pojav toka v zaprtem krogu. Če sta zdaj dva materiala povezana v eno vezje (da tvorita dva stika med njima), se bo na vsakem od njih pojavil določen EMF, ki bo enak po velikosti, vendar nasproten po predznaku. Slednje pojasnjuje, zakaj se tok ne generira.
Razlog za pojav EMF je drugačna raven Fermija (energijevalenčna stanja elektronov) v različnih materialih. Ko slednji pridejo v stik, se nivo Fermija izenači (v enem materialu se zmanjša, pri drugem dvigne). Ta proces nastane zaradi prehoda elektronov skozi kontakt, kar vodi do pojava EMF.
Takoj je treba opozoriti, da je vrednost EMF zanemarljiva (približno nekaj desetink volta).
Odkritje Thomasa Seebecka
Thomas Seebeck (nemški fizik) je leta 1821, torej 24 let po tem, ko je Volt odkril kontaktno potencialno razliko, izvedel naslednji poskus. Povezal je ploščo iz bizmuta in bakra ter zraven postavil magnetno iglo. V tem primeru, kot je navedeno zgoraj, ni prišlo do toka. Toda takoj, ko je znanstvenik prinesel plamen gorilnika na enega od kontaktov dveh kovin, se je magnetna igla začela vrteti.
Zdaj vemo, da je Amperova sila, ki jo je ustvaril tokovni prevodnik, povzročila njegovo obračanje, vendar takrat Seebeck tega ni vedel, zato je napačno domneval, da se inducirana magnetizacija kovin pojavi kot posledica temperature razlika.
Pravilno razlago tega pojava je nekaj let pozneje dal danski fizik Hans Oersted, ki je poudaril, da govorimo o termoelektričnem procesu, tok pa teče skozi zaprt krog. Kljub temu termoelektrični učinek, ki ga je odkril Thomas Seebeck, zdaj nosi njegov priimek.
Fizika tekočih procesov
Še enkrat za utrjevanje materiala: bistvo Seebeckovega učinka je spodbuditielektrični tok kot posledica vzdrževanja različnih temperatur dveh kontaktov iz različnih materialov, ki tvorita zaprt krog.
Če želite razumeti, kaj se dogaja v tem sistemu in zakaj v njem začne teči tok, se morate seznaniti s tremi pojavi:
- Prvi je bil že omenjen - to je vzbujanje EMF v kontaktnem območju zaradi poravnave Fermijevih nivojev. Energija te ravni v materialih se spreminja, ko temperatura narašča ali pade. Slednje dejstvo bo privedlo do pojava toka, če sta dva kontakta zaprta v vezju (ravnotežni pogoji v območju stika kovin pri različnih temperaturah bodo različni).
- Proces premikanja nosilcev naboja iz vročih v hladna območja. Ta učinek je mogoče razumeti, če se spomnimo, da lahko elektrone v kovinah ter elektrone in luknje v polprevodnikih v prvem približku štejemo za idealen plin. Kot je znano, slednji, ko se segreje v zaprti prostornini, poveča tlak. Povedano drugače, v kontaktnem območju, kjer je temperatura višja, je višji tudi »tlak« elektronskega (lukninskega) plina, zato se nosilci naboja nagibajo k hladnejšim predelom materiala, torej k drugemu kontaktu.
- Nazadnje, še en pojav, ki vodi do pojava toka v Seebeckovem učinku, je interakcija fononov (vibracije mreže) z nosilci naboja. Situacija je videti, kot da fonon, ki se premika iz vročega stičišča v hladen stik, "udari" elektron (luknjo) in mu daje dodatno energijo.
Označeni trije procesiposledično se določi pojav toka v opisanem sistemu.
Kako je opisan ta termoelektrični pojav?
Zelo preprosto, za to uvedejo določen parameter S, ki se imenuje Seebeckov koeficient. Parameter kaže, ali se vrednost EMF inducira, če se temperaturna razlika v stiku vzdržuje enako 1 Kelvin (stopinjo Celzija). To pomeni, da lahko napišete:
S=ΔV/ΔT.
Tukaj je ΔV EMF vezja (napetost), ΔT temperaturna razlika med vročim in hladnim spojem (kontaktna cona). Ta formula je le približno pravilna, saj je S na splošno odvisen od temperature.
Vrednosti Seebeckovega koeficienta so odvisne od narave materialov v stiku. Kljub temu lahko zagotovo rečemo, da so za kovinske materiale te vrednosti enake enotam in desetinam μV/K, medtem ko so za polprevodnike stotine μV/K, torej imajo polprevodniki za red večjo termoelektrično silo kot kovine.. Razlog za to je močnejša odvisnost lastnosti polprevodnikov od temperature (prevodnost, koncentracija nosilcev naboja).
Učinkovitost procesa
Presenetljivo dejstvo prenosa toplote v električno energijo odpira velike možnosti za uporabo tega pojava. Kljub temu pa za njegovo tehnološko uporabo ni pomembna samo ideja, temveč tudi kvantitativne značilnosti. Prvič, kot je bilo prikazano, je nastala emf precej majhna. To težavo je mogoče zaobiti z uporabo zaporedne povezave velikega števila prevodnikov (karse opravi v Peltierjevi celici, ki bo obravnavana v nadaljevanju).
Drugič, gre za učinkovitost proizvodnje termoelektrične energije. In to vprašanje ostaja odprto še danes. Učinkovitost Seebeckovega učinka je izjemno nizka (približno 10 %). To pomeni, da je od vse porabljene toplote le eno desetino mogoče uporabiti za opravljanje koristnega dela. Številni laboratoriji po svetu poskušajo povečati to učinkovitost, kar je mogoče doseči z razvojem materialov nove generacije, na primer z uporabo nanotehnologije.
Uporaba učinka, ki ga je odkril Seebeck
Kljub nizki učinkovitosti še vedno najde svojo uporabo. Spodaj so glavna področja:
- Termoelement. Seebeckov učinek se uspešno uporablja za merjenje temperatur različnih predmetov. Pravzaprav je sistem dveh kontaktov termoelement. Če sta znana njegov koeficient S in temperatura enega od koncev, potem je z merjenjem napetosti, ki se pojavi v vezju, mogoče izračunati temperaturo drugega konca. Termoelementi se uporabljajo tudi za merjenje gostote sevalne (elektromagnetne) energije.
- Proizvodnja električne energije na vesoljskih sondah. Sonde, ki jih sproži človek, za raziskovanje našega sončnega sistema ali zunaj njega, uporabljajo učinek Seebeck za napajanje elektronike na krovu. To se naredi zahvaljujoč sevalnemu termoelektričnemu generatorju.
- Uporaba Seebeckovega učinka v sodobnih avtomobilih. Napovedala sta BMW in Volkswagenpojav v njihovih avtomobilih termoelektričnih generatorjev, ki bodo uporabljali toploto plinov, ki jih oddaja izpušna cev.
Drugi termoelektrični učinki
Obstajajo trije termoelektrični učinki: Seebeck, Peltier, Thomson. Bistvo prvega je bilo že obravnavano. Kar zadeva Peltierjev učinek, je sestavljen iz segrevanja enega kontakta in hlajenja drugega, če je zgoraj obravnavano vezje priključeno na zunanji vir toka. Se pravi, efekta Seebeck in Peltier sta nasprotna.
Thomsonov učinek ima enako naravo, vendar se upošteva na istem materialu. Njegovo bistvo je sproščanje ali absorpcija toplote s prevodnikom, skozi katerega teče tok in katerega konci se vzdržujejo pri različnih temperaturah.
Peltierjeva celica
Ko govorimo o patentih za termogeneratorske module s Seebeckovim učinkom, se seveda najprej spomnijo Peltierjeve celice. Je kompaktna naprava (4x4x0,4 cm), izdelana iz niza zaporedno povezanih vodnikov n- in p-tipa. Lahko ga naredite sami. Učinki Seebeck in Peltier so v središču njenega dela. Napetosti in tokovi, s katerimi deluje, so majhni (3-5 V in 0,5 A). Kot je navedeno zgoraj, je učinkovitost njegovega dela zelo majhna (≈10%).
Uporablja se za reševanje takšnih vsakodnevnih nalog, kot je ogrevanje ali hlajenje vode v skodelici ali polnjenje mobilnega telefona.
