Termoelektrické javy sú samostatnou témou fyziky, v ktorej sa uvažuje o tom, ako môže teplota generovať elektrinu, a tá vedie k zmene teploty. Jedným z prvých objavených termoelektrických javov bol Seebeckov efekt.
Predpoklady na otvorenie efektu
V roku 1797 taliansky fyzik Alessandro Volta, vykonávajúci výskum v oblasti elektriny, objavil jeden z úžasných javov: zistil, že pri kontakte dvoch pevných materiálov sa v oblasti kontaktu objaví potenciálny rozdiel. Nazýva sa to kontaktný rozdiel. Fyzicky táto skutočnosť znamená, že kontaktná zóna rôznych materiálov má elektromotorickú silu (EMF), ktorá môže viesť k výskytu prúdu v uzavretom okruhu. Ak sú teraz dva materiály spojené v jednom okruhu (aby sa medzi nimi vytvorili dva kontakty), na každom z nich sa objaví špecifikované EMF, ktoré bude mať rovnakú veľkosť, ale opačné znamienka. Ten vysvetľuje, prečo sa negeneruje prúd.
Dôvodom objavenia sa EMP je iná úroveň Fermiho (energievalenčné stavy elektrónov) v rôznych materiáloch. Keď sa tieto dostanú do kontaktu, hladina Fermi sa vyrovná (v jednom materiáli klesá, v inom stúpa). K tomuto procesu dochádza v dôsledku prechodu elektrónov cez kontakt, čo vedie k vzniku EMP.
Hneď treba poznamenať, že hodnota EMF je zanedbateľná (rádovo niekoľko desatín voltu).
Objav Thomasa Seebecka
Thomas Seebeck (nemecký fyzik) v roku 1821, teda 24 rokov po objavení rozdielu kontaktného potenciálu Voltom, vykonal nasledujúci experiment. Spojil dosku z bizmutu a medi a vedľa nich položil magnetickú ihlu. V tomto prípade, ako je uvedené vyššie, nedošlo k žiadnemu prúdu. Len čo však vedec priviedol plameň horáka k jednému z kontaktov dvoch kovov, magnetická ihla sa začala otáčať.
Teraz už vieme, že ampérova sila vytvorená vodičom prenášajúcim prúd spôsobila jeho otáčanie, no Seebeck to vtedy nevedel, a tak sa mylne domnieval, že indukovaná magnetizácia kovov nastáva v dôsledku teploty rozdiel.
Správne vysvetlenie tohto javu poskytol o niekoľko rokov neskôr dánsky fyzik Hans Oersted, ktorý poukázal na to, že hovoríme o termoelektrickom procese a uzavretým okruhom preteká prúd. Napriek tomu termoelektrický efekt objavený Thomasom Seebeckom v súčasnosti nesie jeho priezvisko.
Fyzika prebiehajúcich procesov
Ešte raz na konsolidáciu materiálu: podstatou Seebeckovho efektu je vyvolaťelektrický prúd ako výsledok udržiavania rôznych teplôt dvoch kontaktov z rôznych materiálov, ktoré tvoria uzavretý obvod.
Aby ste pochopili, čo sa deje v tomto systéme a prečo v ňom začína prúdiť prúd, mali by ste sa zoznámiť s tromi fenoménmi:
- Prvý už bol spomenutý - ide o excitáciu EMF v kontaktnej oblasti v dôsledku zarovnania Fermiho hladín. Energia tejto úrovne v materiáloch sa mení, keď teplota stúpa alebo klesá. Posledná skutočnosť povedie k vzniku prúdu, ak sú dva kontakty uzavreté v obvode (rovnovážne podmienky v zóne kontaktu kovov pri rôznych teplotách budú odlišné).
- Proces presunu nosičov náboja z horúcich do studených oblastí. Tento efekt možno pochopiť, ak si spomenieme, že elektróny v kovoch a elektróny a diery v polovodičoch možno v prvom priblížení považovať za ideálny plyn. Ako je známe, druhý, keď sa zahrieva v uzavretom objeme, zvyšuje tlak. Inými slovami, v kontaktnej zóne, kde je vyššia teplota, je vyšší aj „tlak“elektrónového (dierového) plynu, takže nosiče náboja majú tendenciu ísť do chladnejších oblastí materiálu, teda k inému kontaktu.
- Napokon, ďalším fenoménom, ktorý vedie k objaveniu sa prúdu v Seebeckovom efekte, je interakcia fonónov (vibrácie mriežky) s nosičmi náboja. Situácia vyzerá ako fonón, ktorý prechádza z horúceho spojenia do studeného spojenia, „zasiahne“elektrón (dieru) a dodá mu dodatočnú energiu.
Označené tri procesyv dôsledku toho sa určí výskyt prúdu v opísanom systéme.
Ako je opísaný tento termoelektrický jav?
Veľmi jednoduché, na tento účel zavádzajú určitý parameter S, ktorý sa nazýva Seebeckov koeficient. Parameter ukazuje, či je indukovaná hodnota EMF, ak sa kontaktný teplotný rozdiel udržiava na hodnote 1 Kelvin (stupeň Celzia). To znamená, že môžete napísať:
S=ΔV/ΔT.
V tomto prípade je ΔV EMF obvodu (napätie), ΔT je teplotný rozdiel medzi horúcimi a studenými spojmi (kontaktnými zónami). Tento vzorec je len približne správny, pretože S vo všeobecnosti závisí od teploty.
Hodnoty Seebeckovho koeficientu závisia od povahy materiálov, ktoré sú v kontakte. Jednoznačne však môžeme povedať, že pre kovové materiály sa tieto hodnoty rovnajú jednotkám a desiatkam μV/K, zatiaľ čo pre polovodiče sú to stovky μV/K, to znamená, že polovodiče majú rádovo väčšiu termoelektrickú silu ako kovy.. Dôvodom tejto skutočnosti je silnejšia závislosť charakteristík polovodičov od teploty (vodivosť, koncentrácia nosičov náboja).
Efektívnosť procesu
Prekvapivý fakt prenosu tepla na elektrickú energiu otvára veľké možnosti pre uplatnenie tohto fenoménu. Napriek tomu pre jeho technologické využitie je dôležitá nielen samotná myšlienka, ale aj kvantitatívne charakteristiky. Po prvé, ako sa ukázalo, výsledné emf je dosť malé. Tento problém sa dá obísť použitím sériového zapojenia veľkého počtu vodičov (ktorésa vykonáva v Peltierovej bunke, o ktorej sa bude diskutovať nižšie).
Po druhé, ide o efektívnosť výroby termoelektrickej energie. A táto otázka zostáva otvorená dodnes. Efektivita Seebeckovho efektu je extrémne nízka (asi 10%). To znamená, že zo všetkého vynaloženého tepla sa môže použiť iba jedna desatina na vykonanie užitočnej práce. Mnoho laboratórií po celom svete sa snaží túto efektivitu zvýšiť, čo sa dá dosiahnuť vývojom materiálov novej generácie, napríklad pomocou nanotechnológie.
Používanie efektu objaveného Seebeckom
Napriek nízkej účinnosti stále nachádza svoje využitie. Nižšie sú uvedené hlavné oblasti:
- Termočlánok. Seebeckov efekt sa úspešne používa na meranie teplôt rôznych objektov. V skutočnosti je systém dvoch kontaktov termočlánok. Ak je známy jeho koeficient S a teplota jedného z koncov, potom meraním napätia, ktoré sa vyskytuje v obvode, je možné vypočítať teplotu druhého konca. Termočlánky sa používajú aj na meranie hustoty žiarivej (elektromagnetickej) energie.
- Výroba elektriny na vesmírnych sondách. Sondy spustené človekom na preskúmanie našej slnečnej sústavy alebo mimo nej využívajú Seebeckov efekt na napájanie elektroniky na palube. Deje sa tak vďaka radiačnému termoelektrickému generátoru.
- Aplikácia Seebeckovho efektu v moderných automobiloch. Oznámili to BMW a Volkswagenvýskyt termoelektrických generátorov v ich autách, ktoré budú využívať teplo plynov emitovaných z výfukového potrubia.
Iné termoelektrické efekty
Existujú tri termoelektrické efekty: Seebeck, Peltier, Thomson. Podstata prvého už bola zvážená. Pokiaľ ide o Peltierov jav, spočíva v zahrievaní jedného kontaktu a chladení druhého, ak je vyššie diskutovaný obvod pripojený k externému zdroju prúdu. To znamená, že Seebeckov a Peltierov efekt sú opačné.
Thomsonov efekt má rovnakú povahu, ale zvažuje sa na rovnakom materiáli. Jeho podstatou je uvoľňovanie alebo pohlcovanie tepla vodičom, ktorým preteká prúd a ktorého konce sú udržiavané na rôznych teplotách.
Peltierova bunka
Keď hovoríme o patentoch na moduly termogenerátorov so Seebeckovým efektom, potom, samozrejme, prvá vec, ktorú si spomenú, je Peltierov článok. Ide o kompaktné zariadenie (4x4x0,4 cm) vyrobené zo série vodičov typu n a p zapojených do série. Môžete si ho vyrobiť sami. Efekty Seebecka a Peltiera sú jadrom jej práce. Napätia a prúdy, s ktorými pracuje, sú malé (3-5 V a 0,5 A). Ako je uvedené vyššie, efektivita jeho práce je veľmi malá (≈10 %).
Slúži na riešenie takých každodenných úloh, ako je ohrev alebo chladenie vody v hrnčeku alebo dobíjanie mobilného telefónu.
