Termoelektrični fenomeni su posebna tema u fizici, u kojoj se razmatra kako temperatura može proizvesti električnu energiju, a potonje dovode do promjene temperature. Jedan od prvih otkrivenih termoelektričnih fenomena bio je Seebeckov efekt.
Preduvjeti za otvaranje efekta
Godine 1797. talijanski fizičar Alessandro Volta, provodeći istraživanje u području elektriciteta, otkrio je jedan od nevjerojatnih fenomena: otkrio je da kada dva čvrsta materijala dođu u dodir, u području kontakta pojavljuje se razlika potencijala. Zove se kontaktna razlika. Fizički, ova činjenica znači da kontaktna zona različitih materijala ima elektromotornu silu (EMF) koja može dovesti do pojave struje u zatvorenom krugu. Ako su sada dva materijala spojena u jedan krug (da tvore dva kontakta između njih), tada će se na svakom od njih pojaviti navedeni EMF, koji će biti isti po veličini, ali suprotnog predznaka. Potonje objašnjava zašto se struja ne stvara.
Razlog za pojavu EMF-a je drugačija razina Fermija (envalentna stanja elektrona) u različitim materijalima. Kada potonji dođu u kontakt, Fermijeva razina se snižava (u jednom materijalu se smanjuje, u drugom se povećava). Ovaj proces nastaje zbog prolaska elektrona kroz kontakt, što dovodi do pojave EMF-a.
Odmah treba napomenuti da je vrijednost EMF-a zanemariva (reda nekoliko desetinki volta).
Otkriće Thomasa Seebecka
Thomas Seebeck (njemački fizičar) 1821. godine, odnosno 24 godine nakon što je Volt otkrio kontaktnu potencijalnu razliku, proveo je sljedeći eksperiment. Spojio je ploču od bizmuta i bakra, a pored njih stavio magnetsku iglu. U ovom slučaju, kao što je gore spomenuto, nije došlo do struje. Ali čim je znanstvenik doveo plamen plamenika do jednog od kontakata dvaju metala, magnetska se igla počela okretati.
Sada znamo da je Amperova sila koju stvara strujni vodič uzrokovala njegovo okretanje, ali u to vrijeme Seebeck to nije znao, pa je pogrešno pretpostavio da se inducirana magnetizacija metala javlja kao rezultat temperature razlika.
Ispravno objašnjenje za ovu pojavu dao je nekoliko godina kasnije danski fizičar Hans Oersted, koji je istaknuo da je riječ o termoelektričnom procesu, a struja teče kroz zatvoreni krug. Ipak, termoelektrični efekt koji je otkrio Thomas Seebeck trenutno nosi njegovo prezime.
Fizika tekućih procesa
Još jednom za konsolidaciju materijala: bit Seebeckovog efekta je poticanjeelektrična struja kao rezultat održavanja različitih temperatura dvaju kontakata različitih materijala, koji tvore zatvoreni krug.
Da biste razumjeli što se događa u ovom sustavu i zašto u njemu počinje teći struja, trebali biste se upoznati s tri fenomena:
- Prvi je već spomenut - to je pobuđivanje EMF-a u području kontakta zbog poravnanja Fermijevih razina. Energija ove razine u materijalima mijenja se kako temperatura raste ili pada. Posljednja činjenica će dovesti do pojave struje ako su dva kontakta zatvorena u strujnom krugu (ravnotežni uvjeti u zoni kontakta metala pri različitim temperaturama bit će različiti).
- Proces premještanja nosača naboja iz toplih u hladna područja. Taj se učinak može razumjeti ako se prisjetimo 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 zagrijava u zatvorenom volumenu, povećava tlak. Drugim riječima, u kontaktnoj zoni, gdje je temperatura viša, veći je i "pritisak" plina elektrona (rupa), pa nosioci naboja teže ići u hladnije dijelove materijala, odnosno u drugi kontakt.
- Konačno, još jedan fenomen koji dovodi do pojave struje u Seebeckovom efektu je interakcija fonona (vibracije rešetke) s nosiocima naboja. Situacija izgleda kao da fonon, koji se kreće od vrućeg spoja do hladnog spoja, "pogodi" elektron (rupu) i daje mu dodatnu energiju.
Označena tri procesakao rezultat, utvrđuje se pojava struje u opisanom sustavu.
Kako je opisan ovaj termoelektrični fenomen?
Vrlo jednostavno, za to uvode određeni parametar S, koji se zove Seebeck koeficijent. Parametar pokazuje je li vrijednost EMF-a inducirana ako se temperaturna razlika kontakta održava jednakom 1 Kelvin (stupanj Celzijusa). Odnosno, možete napisati:
S=ΔV/ΔT.
Ovdje je ΔV EMF kruga (napon), ΔT je temperaturna razlika između toplih i hladnih spojeva (kontaktne zone). Ova formula je samo približno točna, budući da S općenito ovisi o temperaturi.
Vrijednosti Seebeckovog koeficijenta ovise o prirodi materijala u kontaktu. Ipak, definitivno možemo reći da su za metalne materijale te vrijednosti jednake jedinicama i desecima μV/K, dok su za poluvodiče stotine μV/K, odnosno da poluvodiči imaju red veličine veću termoelektričnu silu od metala.. Razlog ovoj činjenici je jača ovisnost karakteristika poluvodiča o temperaturi (vodljivost, koncentracija nositelja naboja).
Učinkovitost procesa
Iznenađujuća činjenica prijelaza topline u električnu energiju otvara velike mogućnosti za primjenu ovog fenomena. Ipak, za njegovu tehnološku uporabu nije važna samo ideja, već i kvantitativne karakteristike. Prvo, kao što je pokazano, rezultirajuća emf je prilično mala. Ovaj se problem može zaobići korištenjem serijske veze velikog broja vodiča (kojivrši se u Peltierovoj ćeliji, o čemu će biti riječi u nastavku).
Drugo, radi se o učinkovitosti proizvodnje termoelektrične energije. I ovo pitanje ostaje otvoreno do danas. Učinkovitost Seebeckovog efekta je izrazito niska (oko 10%). To jest, od sve utrošene topline, samo jedna desetina može se iskoristiti za obavljanje korisnog rada. Mnogi laboratoriji diljem svijeta pokušavaju povećati tu učinkovitost, što se može postići razvojem materijala nove generacije, na primjer, korištenjem nanotehnologije.
Upotreba efekta koji je otkrio Seebeck
Unatoč niskoj učinkovitosti, još uvijek pronalazi svoju primjenu. Ispod su glavna područja:
- Termopar. Seebeckov efekt uspješno se koristi za mjerenje temperatura raznih objekata. Zapravo, sustav od dva kontakta je termoelement. Ako su poznati njegov koeficijent S i temperatura jednog od krajeva, tada je mjerenjem napona koji se javlja u krugu moguće izračunati temperaturu drugog kraja. Termoparovi se također koriste za mjerenje gustoće zračenja (elektromagnetske) energije.
- Proizvodnja električne energije na svemirskim sondama. Sonde koje je lansirao čovjek za istraživanje našeg solarnog sustava ili izvan njega koriste Seebeckov efekt za napajanje elektronike na brodu. To se postiže zahvaljujući termoelektričnom generatoru zračenja.
- Primjena Seebeck efekta u modernim automobilima. Najavili su BMW i Volkswagenpojavu u njihovim automobilima termoelektričnih generatora koji će koristiti toplinu plinova emitiranih iz ispušne cijevi.
Ostali termoelektrični efekti
Postoje tri termoelektrična efekta: Seebeck, Peltier, Thomson. Bit prvoga već je 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.
Thomsonov efekt ima istu prirodu, ali se razmatra na istom materijalu. Njegova je bit oslobađanje ili apsorpcija topline vodičem 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 sjete je Peltierova ćelija. To je kompaktni uređaj (4x4x0,4 cm) izrađen od niza n- i p-tipskih vodiča povezanih u nizu. Možete ga napraviti sami. Seebeck i Peltier efekti su u središtu njezina rada. Naponi i struje s kojima radi su mali (3-5 V i 0,5 A). Kao što je gore spomenuto, učinkovitost njegovog rada je vrlo mala (≈10%).
Upotrebljava se za rješavanje svakodnevnih zadataka kao što su grijanje ili hlađenje vode u šalici ili punjenje mobilnog telefona.
