Seebeck efekt: popis, vysvětlení a použití

Hlavní způsob výroby velkého množství elektřiny je v současné době prováděn v důsledku fenoménu elektromagnetické indukce, který zahrnuje mechanický pohyb vodiče v magnetickém poli. Existuje však jiný způsob, jak získat tento typ energie: pomocí teploty. Abychom pochopili podstatu tohoto procesu, měl by být zvážen efekt Seebeck.

Termoelektrické procesy

Ve fyzice se tato fráze týká procesů reverzibilní povahy, které jsou spojeny s jevy přenosu náboje (elektrického proudu) a tepla (tepelné vodivosti). Existují tři různé termoelektrické jevy, které jsou propojeny. Jedná se o efekty:

• Seebeck;
• Peltier;
• Thomson (Kelvin).

Všimněte si, že joulový efekt, který je zářením vodiče tepla při průchodu proudem, není zahrnut do výše uvedeného seznamu, protože je to nevratný proces.

Objev Thomas Johna Seebeck

V roce 1821 uskutečnil jeden zajímavý experiment estonsko-německý fyzik Thomas Seebeck: propojil mezi nimi dvě desky, které byly zhotoveny z různých materiálů (vizmut a měď) v uzavřené smyčce. Potom zahal jeden z kontaktů. Vědec zjistil, že magnetická jehla kompasu, která se nacházela poblíž vodivého obvodu, začala měnit směr. V důsledku toho se vědce rozhodl, že tyto dva materiály (měď a vizmut) jsou polarizovány odlišně v důsledku působení tepla, a proto určil otevřený efekt jako termomagnetický, nikoliv termoelektrický.

Následně dánský vědec Hans Oersted dal správné vysvětlení účinku, který zjistil Seebeck a nazval ho termoelektrickým procesem.

Podstata otevřeného efektu

Z výše uvedeného odstavce je možné samostatně dospět k závěru, že se jedná o termoelektrický jev. Jejich podstatou je následující: pokud spojujete dva materiály jakéhokoli druhu v jednom okruhu a vystavujete jejich kontakty teplotním rozdílům, proud bude proudit v obvodu.

Upozorňujeme, že při dodržení tohoto účinku musí být splněny následující podmínky:

• Přítomnost uzavřeného okruhu (elektrický proud na otevřeném okruhu neexistuje).
• Přítomnost kontaktu ze dvou odlišných kovů (pokud jsou vodiče přivedeny do kontaktu jsou vyrobeny ze stejného materiálu, pak se nepozoruje žádný potenciální rozdíl). Tyto materiály mohou být takové dvojice jako kov a jiný kov, kov a polovodič, nebo dva polovodiče různých typů (p a n).
• Přítomnost teplotního rozdílu mezi oběma kontakty vodičů. Tento rozdíl je základem fenoménu EMF (elektromotorická síla). Všimněte si, že se jedná o kontakt obou materiálů, které by měly být ohřívány (chlazeny) a nikoli z nich.

Fyzické vysvětlení účinku

Popisovaný termoelektrický efekt je poměrně komplikovaný jev. Chcete-li je pochopit, zvažte systém, který je spojen s měděnými a železnými vodiči. Dávejte pozor na procesy, které se vyskytují v zóně styku Cu-Fe, který je ohříván. Získáním dodatečné kinetické energie elektrony ve vytápěcí oblasti vytvářejí vyšší "tlak" elektronového plynu a proto mají tendenci unikat z něj do chladnějšího konce obvodu. Naproti tomu kontakt s Cu-Fe, který je chlazen, způsobuje ztrátu kinetické energie nosičů náboje, což vede k poklesu tlaku, který vytváří v kontaktní zóně. Tato skutečnost vede k přilákání nosičů volných nábojů do chladné oblasti.

Pokud by byly kovy v kontaktu stejné, potom by rychlosti proudění elektronů v důsledku teplotního rozdílu byly stejné a jejich směry v každém vodiči by byly opačné, to znamená, že by nenastal žádný potenciální rozdíl. Ale protože kovy mají jinou povahu, reagují jinak na teplo (změna "tlaku" elektronů a rychlost jejich driftu se liší u Fe a Cu). To je důvod pro vznik EMF v kontaktní zóně.

Všimněte si, že při vysvětlení fyziky procesu byla použita analogie s ideálním plynem.

Směr rozvíjejícího se tepelného proudu, stejně jako jeho velikost, je určen povahou kovů, teplotním rozdílem kontaktů a také vlastnostmi samotného elektrického uzavřeného okruhu.

Pokud zvážíme fyziku procesu pro dvojice kovů a polovodičů, nebude se lišit od dvojice kov-kov. Použití teplotního rozdílu na dva kovové kontakty s polovodičem ve druhém způsobuje tok elektronů (typ n) nebo otvorů (p-typu) z horké do studené oblasti, což vede k vzniku potenciálního rozdílu.

Pokud není teplotní rozdíl udržován kvůli odvodu tepla z chladné zóny a jejímu přívodu do horkého kontaktu, v okruhu se rychle ukáže termodynamická rovnováha a proud přestane proudit.

Matematický popis zvažovaného jevu

Po pochopení toho, jaký je efekt Seebeck, můžete pokračovat v otázce svého matematického popisu. Zde je hlavním množstvím tzv. Seebeckův koeficient. Vyjadřuje se podle vzorce:

S _AB = (V ₂ -V ₁ ) / (T ₂ -T ₁ ) = ΔV / ΔT.

Zde V ₂ a V ₁ jsou hodnoty elektrických potenciálů v oblasti teplých a studených kontaktů, T ₂ -T ₁ jsou teplotní rozdíly těchto kontaktů, A a B jsou dva materiály uvažovaného uzavřeného obvodu.

Fyzikální význam koeficientu S _AB je, že ukazuje, jaký druh emf lze získat použitím teplotního rozdílu na kontaktech rovnajících se 1 Kelvin. Typické hodnoty S _AB pro moderní termoelektrické materiály jsou několik desítek nebo stovek mikrovoltů na kelvin.

Koeficient S _AB není konstanta pro vodiče A a B, záleží na teplotě.

Účinnost procesu

To je nejzajímavější a nejdůležitější otázka, která se týká zvažovaného termoelektrického účinku. Pokud je při použití teplotního rozdílu na okruhu možné vyrábět elektřinu, lze tento jev použít místo běžných generátorů založených na elektromagnetické indukci. Tento závěr je správný, pokud je účinnost viditelného efektu dostatečně vysoká.

Pro odhad efektivity je obvyklé používat následující výraz:

Z * T = (S _AB ) ² * T / (ρ * λ).

Zde ρ je elektrický odpor, λ je součinitel tepelné vodivosti, Z je faktor účinnosti termoelektrického jevu.

Tento výraz je snadno pochopitelný: čím větší je Seebeckův koeficient, tím vyšší je mobilita nosiče (menší odpor) a tím nižší tepelná vodivost materiálu (pomáhá vyrovnávat teplotní gradient přes přenos náboje a pohyb mřížkových fononů), tím vyšší je výkon obvodu jako generátoru .

Hodnoty Z * T pro kovy jsou obvykle nízké, protože λ je velká. Na druhou stranu, izolátory také nemohou být použity kvůli jejich obrovským ρ hodnotám. Zlatým průměrem bylo použití polovodičů.

V současné době se pro různé teploty získají hodnoty Z * T≈1, což znamená, že přibližně 10% vynaloženého tepla se přemění na elektrickou energii (účinnost = 10%). Aby tento efekt byl schopen konkurovat moderním způsobům výroby elektřiny, je nutné vyvinout materiály, u kterých bude Z * T 3-4.

Kde použít tento efekt

Nejpopulárnějším směrem jeho použití jsou přístroje pro měření teploty, nazvané termočlánky. Pokud je teplota jednoho konce termočlánku známa (místnost), potom ponořením jeho druhého konce do těla, jehož teplota by měla být určena a měřením výsledného emf, lze snadno najít neznámou hodnotu.

Podle posledních zpráv dvě německé automobilové společnosti (Volkswagen a BMW) uvádějí, že začaly uplatňovat tento efekt pro zvýšení účinnosti benzinového motoru. Cílem je použít teplo vyzařované z výfukového potrubí pro výrobu termoelektrické energie. Podle zástupců těchto společností se tak podařilo snížit počet kilometrů plynu o 5%.

Sonda řady Voyager, jejíž posláním je prozkoumat prostor kolem nás, využívá efekt Seebeck k napájení elektroniky. Faktem je, že sluneční baterie mimo oběžnou dráhu Marsu nelze použít kvůli nízké hustotě energie ze Slunce. Na palubě Voyager je instalován termoelektrický generátor na izotopy plutonia: radioaktivní oxid plutonia se rozkládá s uvolněním tepla, které se používá pro konverzi na elektřinu párem polovodičových materiálů (SiGe).

Spin effect

Nedávno vědci objevili zajímavý jev: pokud se zahřívá magnetický kontakt páru Ni-Fe, elektronové toky v celém materiálu jsou orientovány určitým způsobem, což vytváří magnetické pole. Tento jev se nazývá točivý efekt Seebeck. Může být použit k vytvoření magnetických polí bez účasti elektrického proudu.

Peltierův efekt

Toto je jméno fenoménu, který objevil v roce 1834 francouzský Jean Peltier. Její podstatou spočívá v tom, že pokud se prochází elektrickým proudem skrze kontakt různých materiálů, buď se zahřeje nebo ochladí v závislosti na směru pohybu nosičů náboje. Používá se v tzv. Peltierově buňce, která je schopna ohřívat nebo ochlazovat okolní objekty, například vodu, když je připojena k potenciálnímu rozdílu (elektrický obvod).

Takže účinky Peltier a Seebeck jsou proti sobě navzájem.

Thomson efekt (Kelvin)

Je také zařazen do seznamu termoelektrických jevů. To bylo otevřeno lordem Kelvin (William Thomson) v 1851. Kombinuje jevy, které zaznamenaly Peltier a Seebeck. Podstatou Thomsonova účinku je následující: pokud je na koncích vodiče vytvořena jiná teplota a potom se na ni aplikuje napětí, vodič začne vyměňovat teplo s prostředím. To znamená, že to nejenže může přidělit, ale také absorbovat, což závisí na polaritě potenciálů a teplotním rozdílu na koncích.

Rozdíl tohoto efektu od předchozích dvou je ten, že je implementován na jednom a nikoliv na dvou různých vodičích.

Všechny tři termodynamické účinky jsou navzájem matematicky příbuzné.