Τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα είναι ένα ξεχωριστό θέμα στη φυσική, στο οποίο εξετάζουν πώς η θερμοκρασία μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό και τα τελευταία οδηγούν σε αλλαγή της θερμοκρασίας. Ένα από τα πρώτα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα που ανακαλύφθηκαν ήταν το φαινόμενο Seebeck.
Προϋποθέσεις για το άνοιγμα του εφέ
Το 1797, ο Ιταλός φυσικός Alessandro Volta, διεξάγοντας έρευνα στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας, ανακάλυψε ένα από τα εκπληκτικά φαινόμενα: ανακάλυψε ότι όταν δύο στερεά υλικά έρχονται σε επαφή, μια διαφορά δυναμικού εμφανίζεται στην περιοχή επαφής. Ονομάζεται διαφορά επαφής. Φυσικά, αυτό το γεγονός σημαίνει ότι η ζώνη επαφής ανόμοιων υλικών έχει μια ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) που μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα. Εάν τώρα δύο υλικά συνδέονται σε ένα κύκλωμα (για να σχηματιστούν δύο επαφές μεταξύ τους), τότε το καθορισμένο EMF θα εμφανιστεί σε καθένα από αυτά, το οποίο θα είναι το ίδιο σε μέγεθος, αλλά αντίθετο σε πρόσημο. Το τελευταίο εξηγεί γιατί δεν δημιουργείται ρεύμα.
Ο λόγος για την εμφάνιση του EMF είναι ένα διαφορετικό επίπεδο Fermi (ενέργειακαταστάσεις σθένους ηλεκτρονίων) σε διαφορετικά υλικά. Όταν τα τελευταία έρχονται σε επαφή, το επίπεδο Fermi πέφτει (σε ένα υλικό μειώνεται, σε ένα άλλο αυξάνεται). Αυτή η διαδικασία συμβαίνει λόγω της διέλευσης ηλεκτρονίων μέσω της επαφής, η οποία οδηγεί στην εμφάνιση ενός EMF.
Θα πρέπει να σημειωθεί αμέσως ότι η τιμή EMF είναι αμελητέα (της τάξης των μερικών δέκατων του βολτ).
Ανακάλυψη του Thomas Seebeck
Ο Thomas Seebeck (Γερμανός φυσικός) το 1821, δηλαδή 24 χρόνια μετά την ανακάλυψη της διαφοράς δυναμικού επαφής από τον Volt, πραγματοποίησε το ακόλουθο πείραμα. Συνέδεσε ένα πιάτο με βισμούθιο και χαλκό και τοποθέτησε μια μαγνητική βελόνα δίπλα τους. Στην περίπτωση αυτή, όπως προαναφέρθηκε, δεν παρουσιάστηκε ρεύμα. Αλλά μόλις ο επιστήμονας έφερε τη φλόγα του καυστήρα σε μία από τις επαφές των δύο μετάλλων, η μαγνητική βελόνα άρχισε να γυρίζει.
Τώρα γνωρίζουμε ότι η δύναμη Ampère που δημιουργήθηκε από τον αγωγό που μεταφέρει το ρεύμα τον προκάλεσε να στρίψει, αλλά εκείνη τη στιγμή ο Seebeck δεν το γνώριζε αυτό, επομένως υπέθεσε λανθασμένα ότι η επαγόμενη μαγνήτιση των μετάλλων συμβαίνει ως αποτέλεσμα της θερμοκρασίας διαφορά.
Την σωστή εξήγηση για αυτό το φαινόμενο έδωσε λίγα χρόνια αργότερα ο Δανός φυσικός Hans Oersted, ο οποίος επεσήμανε ότι μιλάμε για θερμοηλεκτρική διαδικασία και ότι ένα ρεύμα ρέει μέσα από ένα κλειστό κύκλωμα. Ωστόσο, το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο που ανακάλυψε ο Thomas Seebeck φέρει επί του παρόντος το επίθετό του.
Φυσική συνεχιζόμενων διεργασιών
Για άλλη μια φορά για την εδραίωση του υλικού: η ουσία του φαινομένου Seebeck είναι να προκαλέσειηλεκτρικό ρεύμα ως αποτέλεσμα της διατήρησης διαφορετικών θερμοκρασιών δύο επαφών διαφορετικών υλικών, οι οποίες σχηματίζουν ένα κλειστό κύκλωμα.
Για να κατανοήσετε τι συμβαίνει σε αυτό το σύστημα και γιατί αρχίζει να τρέχει ρεύμα σε αυτό, θα πρέπει να εξοικειωθείτε με τρία φαινόμενα:
- Το πρώτο έχει ήδη αναφερθεί - αυτή είναι η διέγερση του EMF στην περιοχή επαφής λόγω της ευθυγράμμισης των επιπέδων Fermi. Η ενέργεια αυτού του επιπέδου στα υλικά αλλάζει καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται ή πέφτει. Το τελευταίο γεγονός θα οδηγήσει στην εμφάνιση ρεύματος εάν δύο επαφές είναι κλειστές σε ένα κύκλωμα (οι συνθήκες ισορροπίας στη ζώνη επαφής των μετάλλων σε διαφορετικές θερμοκρασίες θα είναι διαφορετικές).
- Η διαδικασία μετακίνησης φορέων φορτίου από θερμές σε ψυχρές περιοχές. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να γίνει κατανοητό αν θυμηθούμε ότι τα ηλεκτρόνια στα μέταλλα και τα ηλεκτρόνια και οι οπές σε ημιαγωγούς μπορούν, στην πρώτη προσέγγιση, να θεωρηθούν ιδανικό αέριο. Όπως είναι γνωστό, το τελευταίο, όταν θερμαίνεται σε κλειστό όγκο, αυξάνει την πίεση. Με άλλα λόγια, στη ζώνη επαφής, όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη, η «πίεση» του αερίου ηλεκτρονίου (οπής) είναι επίσης μεγαλύτερη, επομένως οι φορείς φορτίου τείνουν να πάνε σε ψυχρότερες περιοχές του υλικού, δηλαδή σε άλλη επαφή.
- Τέλος, ένα άλλο φαινόμενο που οδηγεί στην εμφάνιση ρεύματος στο φαινόμενο Seebeck είναι η αλληλεπίδραση των φωνονίων (δονήσεις πλέγματος) με τους φορείς φορτίου. Η κατάσταση μοιάζει με ένα φωνόνιο, που κινείται από μια θερμή διασταύρωση σε μια ψυχρή διασταύρωση, "χτυπά" ένα ηλεκτρόνιο (τρύπα) και του μεταδίδει επιπλέον ενέργεια.
Επισήμανε τρεις διεργασίεςως αποτέλεσμα, προσδιορίζεται η εμφάνιση ρεύματος στο περιγραφόμενο σύστημα.
Πώς περιγράφεται αυτό το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο;
Πολύ απλό, για αυτό εισάγουν μια συγκεκριμένη παράμετρο S, η οποία ονομάζεται συντελεστής Seebeck. Η παράμετρος δείχνει εάν η τιμή EMF προκαλείται εάν η διαφορά θερμοκρασίας επαφής διατηρείται ίση με 1 Kelvin (βαθμοί Κελσίου). Δηλαδή, μπορείτε να γράψετε:
S=ΔV/ΔT.
Εδώ ΔV είναι το EMF του κυκλώματος (τάση), ΔT είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των θερμών και ψυχρών κόμβων (ζώνες επαφής). Αυτός ο τύπος είναι μόνο κατά προσέγγιση σωστός, καθώς το S εξαρτάται γενικά από τη θερμοκρασία.
Οι τιμές του συντελεστή Seebeck εξαρτώνται από τη φύση των υλικών που έρχονται σε επαφή. Ωστόσο, μπορούμε με βεβαιότητα να πούμε ότι για τα μεταλλικά υλικά αυτές οι τιμές είναι ίσες με μονάδες και δεκάδες μV/K, ενώ για τους ημιαγωγούς είναι εκατοντάδες μV/K, δηλαδή οι ημιαγωγοί έχουν τάξη μεγέθους μεγαλύτερη θερμοηλεκτρική δύναμη από τα μέταλλα.. Ο λόγος για αυτό το γεγονός είναι μια ισχυρότερη εξάρτηση των χαρακτηριστικών των ημιαγωγών από τη θερμοκρασία (αγωγιμότητα, συγκέντρωση φορέων φορτίου).
Αποτελεσματικότητα διαδικασίας
Το εκπληκτικό γεγονός της μεταφοράς θερμότητας στην ηλεκτρική ενέργεια ανοίγει μεγάλες ευκαιρίες για την εφαρμογή αυτού του φαινομένου. Ωστόσο, για την τεχνολογική του χρήση, δεν είναι μόνο η ίδια η ιδέα σημαντική, αλλά και τα ποσοτικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, όπως αποδείχθηκε, το EMF που προκύπτει είναι αρκετά μικρό. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να παρακαμφθεί χρησιμοποιώντας μια σειριακή σύνδεση μεγάλου αριθμού αγωγών (πουγίνεται στο κελί Peltier, το οποίο θα συζητηθεί παρακάτω).
Δεύτερον, είναι θέμα απόδοσης παραγωγής θερμοηλεκτρισμού. Και αυτό το ερώτημα παραμένει ανοιχτό μέχρι σήμερα. Η αποτελεσματικότητα του φαινομένου Seebeck είναι εξαιρετικά χαμηλή (περίπου 10%). Δηλαδή, από όλη τη θερμότητα που δαπανάται, μόνο το ένα δέκατο αυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση χρήσιμης εργασίας. Πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να αυξήσουν αυτή την αποτελεσματικότητα, η οποία μπορεί να επιτευχθεί με την ανάπτυξη υλικών νέας γενιάς, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τη νανοτεχνολογία.
Χρησιμοποιώντας το εφέ που ανακάλυψε ο Seebeck
Παρά τη χαμηλή απόδοση, εξακολουθεί να βρίσκει τη χρήση του. Παρακάτω είναι οι κύριοι τομείς:
- Θερμοστοιχείο. Το φαινόμενο Seebeck χρησιμοποιείται με επιτυχία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας διαφόρων αντικειμένων. Στην πραγματικότητα, ένα σύστημα δύο επαφών είναι ένα θερμοστοιχείο. Εάν ο συντελεστής του S και η θερμοκρασία ενός από τα άκρα είναι γνωστοί, τότε μετρώντας την τάση που εμφανίζεται στο κύκλωμα, είναι δυνατός ο υπολογισμός της θερμοκρασίας του άλλου άκρου. Τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται επίσης για τη μέτρηση της πυκνότητας της ακτινοβολούμενης (ηλεκτρομαγνητικής) ενέργειας.
- Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διαστημικούς ανιχνευτές. Οι ανιχνευτές που εκτοξεύονται από τον άνθρωπο για να εξερευνήσουν το ηλιακό μας σύστημα ή πέρα από αυτό χρησιμοποιούν το φαινόμενο Seebeck για να τροφοδοτήσουν τα ηλεκτρονικά του σκάφους. Αυτό γίνεται χάρη σε μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια ακτινοβολίας.
- Εφαρμογή του φαινομένου Seebeck στα σύγχρονα αυτοκίνητα. Ανακοίνωσαν οι BMW και Volkswagenτην εμφάνιση στα αυτοκίνητά τους θερμοηλεκτρικών γεννητριών που θα χρησιμοποιούν τη θερμότητα των αερίων που εκπέμπεται από τον σωλήνα εξάτμισης.
Άλλα θερμοηλεκτρικά εφέ
Υπάρχουν τρία θερμοηλεκτρικά εφέ: Seebeck, Peltier, Thomson. Η ουσία του πρώτου έχει ήδη εξεταστεί. Όσον αφορά το φαινόμενο Peltier, συνίσταται στη θέρμανση μιας επαφής και στην ψύξη της άλλης, εάν το κύκλωμα που συζητήθηκε παραπάνω είναι συνδεδεμένο σε μια εξωτερική πηγή ρεύματος. Δηλαδή, τα εφέ Seebeck και Peltier είναι αντίθετα.
Το φαινόμενο Thomson έχει την ίδια φύση, αλλά θεωρείται στο ίδιο υλικό. Η ουσία του είναι η απελευθέρωση ή η απορρόφηση θερμότητας από έναν αγωγό μέσω του οποίου ρέει ρεύμα και τα άκρα του οποίου διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες.
κελί Peltier
Όταν μιλάμε για πατέντες για μονάδες θερμογεννήτριας με το φαινόμενο Seebeck, τότε, φυσικά, το πρώτο πράγμα που θυμούνται είναι το στοιχείο Peltier. Είναι μια συμπαγής συσκευή (4x4x0,4 cm) κατασκευασμένη από μια σειρά αγωγών τύπου n και p που συνδέονται σε σειρά. Μπορείτε να το φτιάξετε μόνοι σας. Τα εφέ Seebeck και Peltier βρίσκονται στο επίκεντρο της δουλειάς της. Οι τάσεις και τα ρεύματα με τα οποία λειτουργεί είναι μικρά (3-5 V και 0,5 A). Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η αποτελεσματικότητα της εργασίας του είναι πολύ μικρή (≈10%).
Χρησιμοποιείται για την επίλυση καθημερινών εργασιών όπως η θέρμανση ή η ψύξη του νερού σε μια κούπα ή η επαναφόρτιση ενός κινητού τηλεφώνου.
