Fenomenele termoelectrice sunt o temă separată în fizică, în care se ia în considerare modul în care temperatura poate genera electricitate, iar aceasta din urmă duc la o modificare a temperaturii. Unul dintre primele fenomene termoelectrice descoperite a fost efectul Seebeck.
Condiții preliminare pentru deschiderea efectului
În 1797, fizicianul italian Alessandro Volta, efectuând cercetări în domeniul electricității, a descoperit unul dintre fenomenele uimitoare: a descoperit că atunci când două materiale solide intră în contact, apare o diferență de potențial în zona de contact. Se numește diferența de contact. Din punct de vedere fizic, acest fapt înseamnă că zona de contact a materialelor diferite are o forță electromotoare (EMF) care poate duce la apariția unui curent într-un circuit închis. Dacă acum două materiale sunt conectate într-un circuit (pentru a forma două contacte între ele), atunci pe fiecare dintre ele va apărea EMF specificat, care va fi aceeași ca mărime, dar cu semn opus. Acesta din urmă explică de ce nu se generează curent.
Motivul apariției EMF este un nivel diferit de Fermi (energiestările de valenţă ale electronilor) în diferite materiale. Când acestea din urmă intră în contact, nivelul Fermi se nivelează (într-un material scade, în altul crește). Acest proces are loc datorită trecerii electronilor prin contact, ceea ce duce la apariția unui EMF.
Trebuie remarcat imediat că valoarea EMF este neglijabilă (de ordinul a câteva zecimi de volt).
Descoperirea lui Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (fizician german) în 1821, adică la 24 de ani după descoperirea diferenței de potențial de contact de către Volt, a efectuat următorul experiment. A conectat o placă de bismut și cupru și a pus un ac magnetic lângă ele. În acest caz, așa cum sa menționat mai sus, nu a apărut niciun curent. Dar de îndată ce omul de știință a adus flacăra arzătorului la unul dintre contactele celor două metale, acul magnetic a început să se rotească.
Acum știm că forța Ampère creată de conductorul purtător de curent l-a determinat să se rotească, dar la acel moment Seebeck nu știa acest lucru, așa că a presupus în mod eronat că magnetizarea indusă a metalelor are loc ca urmare a temperaturii. diferență.
Explicația corectă pentru acest fenomen a fost dată câțiva ani mai târziu de fizicianul danez Hans Oersted, care a subliniat că vorbim despre un proces termoelectric, iar un curent curge printr-un circuit închis. Cu toate acestea, efectul termoelectric descoperit de Thomas Seebeck îi poartă în prezent numele de familie.
Fizica proceselor în curs
Încă o dată pentru a consolida materialul: esența efectului Seebeck este de a inducecurent electric ca urmare a menținerii unor temperaturi diferite a două contacte din materiale diferite, care formează un circuit închis.
Pentru a înțelege ce se întâmplă în acest sistem și de ce curentul începe să curgă în el, ar trebui să vă familiarizați cu trei fenomene:
- Primul a fost deja menționat - aceasta este excitația EMF în regiunea de contact datorită alinierii nivelurilor Fermi. Energia acestui nivel în materiale se modifică pe măsură ce temperatura crește sau scade. Acest din urmă fapt va duce la apariția unui curent dacă două contacte sunt închise într-un circuit (condițiile de echilibru în zona de contact a metalelor la temperaturi diferite vor fi diferite).
- Procesul de mutare a purtătorilor de taxe din regiunile calde în regiunile reci. Acest efect poate fi înțeles dacă ne amintim că electronii din metale și electronii și găurile din semiconductori pot fi considerați, în prima aproximare, un gaz ideal. După cum se știe, acesta din urmă, atunci când este încălzit într-un volum închis, crește presiunea. Cu alte cuvinte, în zona de contact, unde temperatura este mai mare, „presiunea” gazului de electroni (găuri) este și ea mai mare, astfel încât purtătorii de sarcină tind să meargă în zonele mai reci ale materialului, adică către un alt contact.
- În sfârșit, un alt fenomen care duce la apariția curentului în efectul Seebeck este interacțiunea fononilor (vibrații latice) cu purtătorii de sarcină. Situația arată ca un fonon, care trece de la o joncțiune fierbinte la o joncțiune rece, „locește” un electron (gaură) și îi conferă energie suplimentară.
S-au marcat trei proceseca urmare, se determină apariția curentului în sistemul descris.
Cum este descris acest fenomen termoelectric?
Foarte simplu, pentru aceasta introduc un anumit parametru S, care se numește coeficient Seebeck. Parametrul arată dacă valoarea EMF este indusă dacă diferența de temperatură de contact este menținută egală cu 1 Kelvin (grad Celsius). Adică puteți scrie:
S=ΔV/ΔT.
Aici ΔV este EMF-ul circuitului (tensiune), ΔT este diferența de temperatură dintre joncțiunile calde și reci (zonele de contact). Această formulă este doar aproximativ corectă, deoarece S depinde în general de temperatură.
Valorile coeficientului Seebeck depind de natura materialelor în contact. Cu toate acestea, putem spune cu siguranță că pentru materialele metalice aceste valori sunt egale cu unități și zeci de μV/K, în timp ce pentru semiconductori sunt sute de μV/K, adică semiconductori au o forță termoelectrică de ordin de mărime mai mare decât metalele.. Motivul pentru acest fapt este o dependență mai puternică a caracteristicilor semiconductorilor de temperatură (conductivitate, concentrația purtătorilor de sarcină).
Eficiența procesului
Faptul surprinzător al transferului de căldură în energie electrică deschide mari oportunități pentru aplicarea acestui fenomen. Cu toate acestea, pentru utilizarea sa tehnologică, nu numai ideea în sine este importantă, ci și caracteristicile cantitative. În primul rând, după cum s-a arătat, fem-ul rezultat este destul de mic. Această problemă poate fi ocolită prin utilizarea unei conexiuni în serie a unui număr mare de conductori (carese face în celula Peltier, care va fi discutată mai jos).
În al doilea rând, este o chestiune de eficiență a generării de termoelectricitate. Și această întrebare rămâne deschisă până astăzi. Eficiența efectului Seebeck este extrem de scăzută (aproximativ 10%). Adică, din toată căldura consumată, doar o zecime din aceasta poate fi folosită pentru a efectua lucrări utile. Multe laboratoare din întreaga lume încearcă să mărească această eficiență, ceea ce poate fi realizat prin dezvoltarea de materiale de nouă generație, de exemplu, folosind nanotehnologia.
Utilizarea efectului descoperit de Seebeck
În ciuda eficienței scăzute, își găsește totuși utilizarea. Mai jos sunt principalele domenii:
- Termocuplu. Efectul Seebeck este folosit cu succes pentru a măsura temperaturile diferitelor obiecte. De fapt, un sistem de două contacte este un termocuplu. Dacă se cunoaște coeficientul său S și temperatura unuia dintre capete, atunci prin măsurarea tensiunii care apare în circuit este posibil să se calculeze temperatura celuil alt capăt. Termocuplurile sunt, de asemenea, folosite pentru a măsura densitatea energiei radiante (electromagnetice).
- Generarea de electricitate pe sondele spațiale. Sonde lansate de om pentru a explora sistemul nostru solar sau mai departe folosesc efectul Seebeck pentru a alimenta electronicele de la bord. Acest lucru se realizează datorită unui generator termoelectric cu radiații.
- Aplicarea efectului Seebeck în mașinile moderne. BMW și Volkswagen au anunțatapariția în mașinile lor a generatoarelor termoelectrice care vor folosi căldura gazelor emise de țeava de eșapament.
Alte efecte termoelectrice
Există trei efecte termoelectrice: Seebeck, Peltier, Thomson. Esența primului a fost deja luată în considerare. În ceea ce privește efectul Peltier, acesta constă în încălzirea unui contact și răcirea celuil alt, dacă circuitul discutat mai sus este conectat la o sursă de curent externă. Adică, efectele Seebeck și Peltier sunt opuse.
Efectul Thomson are aceeași natură, dar este considerat pe același material. Esența sa este degajarea sau absorbția de căldură de către un conductor prin care trece curentul și ale cărui capete sunt menținute la temperaturi diferite.
celulă Peltier
Când vorbim despre brevetele pentru module termogeneratoare cu efect Seebeck, atunci, desigur, primul lucru pe care și-l amintesc este celula Peltier. Este un dispozitiv compact (4x4x0,4 cm) realizat dintr-o serie de conductoare de tip n și p conectate în serie. O poți face singur. Efectele Seebeck și Peltier sunt în centrul muncii ei. Tensiunile și curenții cu care funcționează sunt mici (3-5 V și 0,5 A). După cum sa menționat mai sus, eficiența activității sale este foarte mică (≈10%).
Este folosit pentru a rezolva sarcini de zi cu zi precum încălzirea sau răcirea apei într-o cană sau reîncărcarea unui telefon mobil.
