Termoelektriskās parādības ir atsevišķs temats fizikā, kurā tiek aplūkots, kā temperatūra var radīt elektrību, un pēdējie izraisa temperatūras izmaiņas. Viena no pirmajām atklātajām termoelektriskajām parādībām bija Zēbeka efekts.
Priekšnoteikumi efekta atvēršanai
1797. gadā itāļu fiziķis Alesandro Volta, veicot pētījumus elektrības jomā, atklāja vienu no pārsteidzošajām parādībām: viņš atklāja, ka, saskaroties diviem cietiem materiāliem, saskares zonā parādās potenciāla atšķirība. To sauc par kontaktu atšķirību. Fiziski šis fakts nozīmē, ka atšķirīgu materiālu saskares zonai ir elektromotors spēks (EMF), kas var izraisīt strāvas parādīšanos slēgtā ķēdē. Ja tagad vienā ķēdē ir savienoti divi materiāli (lai starp tiem izveidotu divus kontaktus), tad uz katra no tiem parādīsies norādītais EMF, kas pēc lieluma būs vienāds, bet pēc zīmes pretējs. Pēdējais izskaidro, kāpēc netiek ģenerēta strāva.
EMF parādīšanās iemesls ir atšķirīgs Fermi (enerģijaselektronu valences stāvokļi) dažādos materiālos. Kad pēdējie nonāk saskarē, Fermi līmenis izlīdzinās (vienā materiālā tas samazinās, citā palielinās). Šis process notiek tāpēc, ka elektroni iziet cauri kontaktam, kā rezultātā parādās EML.
Tūlīt jāatzīmē, ka EML vērtība ir niecīga (apmēram dažas desmitdaļas voltu).
Tomasa Zībeka atklāšana
Tomass Zībeks (vācu fiziķis) 1821. gadā, tas ir, 24 gadus pēc tam, kad Volts atklāja kontakta potenciāla starpību, veica šādu eksperimentu. Viņš savienoja bismuta un vara plāksni un nolika tiem blakus magnētisku adatu. Šajā gadījumā, kā minēts iepriekš, strāva nenotika. Taču, tiklīdz zinātnieks aiznesa degļa liesmu uz vienu no abu metālu kontaktiem, magnētiskā adata sāka griezties.
Tagad mēs zinām, ka ampēra spēks, ko radīja strāvu nesošais vadītājs, lika tam pagriezties, taču tobrīd Zēbeks to nezināja, tāpēc viņš kļūdaini pieņēma, ka metālu inducētā magnetizācija notiek temperatūras ietekmē. atšķirība.
Pareizo šīs parādības skaidrojumu dažus gadus vēlāk sniedza dāņu fiziķis Hanss Oersteds, kurš norādīja, ka mēs runājam par termoelektrisku procesu, un strāva plūst pa slēgtu ķēdi. Tomēr Tomasa Zībeka atklātajam termoelektriskajam efektam pašlaik ir viņa uzvārds.
Notiekošo procesu fizika
Vēlreiz, lai konsolidētu materiālu: Zēbeka efekta būtība ir pamudinātelektriskā strāva divu dažādu materiālu kontaktu dažādu temperatūru uzturēšanas rezultātā, kas veido slēgtu ķēdi.
Lai saprastu, kas notiek šajā sistēmā un kāpēc tajā sāk tecēt strāva, jāiepazīstas ar trim parādībām:
- Pirmais jau tika minēts - tas ir EML ierosinājums kontakta reģionā Fermi līmeņu izlīdzināšanas dēļ. Šī līmeņa enerģija materiālos mainās, temperatūrai paaugstinoties vai pazeminoties. Pēdējais fakts novedīs pie strāvas parādīšanās, ja ķēdē ir slēgti divi kontakti (līdzsvara apstākļi metālu saskares zonā dažādās temperatūrās būs atšķirīgi).
- Lādiņnesēju pārvietošanas process no karsta uz aukstu reģionu. Šo efektu var saprast, ja atceramies, ka elektronus metālos un elektronus un caurumus pusvadītājos pirmajā tuvinājumā var uzskatīt par ideālu gāzi. Kā zināms, pēdējais, sildot slēgtā tilpumā, palielina spiedienu. Citiem vārdiem sakot, kontakta zonā, kur temperatūra ir augstāka, arī elektronu (caurumu) gāzes "spiediens" ir lielāks, tāpēc lādiņnesējiem ir tendence doties uz materiāla vēsākām vietām, tas ir, uz citu kontaktu.
- Visbeidzot, vēl viena parādība, kas izraisa strāvas parādīšanos Zēbeka efektā, ir fononu (režģa vibrāciju) mijiedarbība ar lādiņa nesējiem. Situācija izskatās kā fonons, kas pārvietojas no karsta savienojuma uz aukstu savienojumu, "trāpa" elektronā (caurumā) un piešķir tam papildu enerģiju.
Atzīmēti trīs procesirezultātā tiek noteikta strāvas rašanās aprakstītajā sistēmā.
Kā aprakstīta šī termoelektriskā parādība?
Ļoti vienkārši, šim nolūkam viņi ievieš noteiktu parametru S, ko sauc par Zēbeka koeficientu. Parametrs parāda, vai EML vērtība tiek ierosināta, ja kontakta temperatūras starpība tiek uzturēta vienāda ar 1 Kelvinu (Celsija grādu). Tas ir, jūs varat rakstīt:
S=ΔV/ΔT.
Šeit ΔV ir ķēdes EMF (spriegums), ΔT ir temperatūras starpība starp karsto un auksto savienojumu (kontaktu zonām). Šī formula ir tikai aptuveni pareiza, jo S parasti ir atkarīgs no temperatūras.
Zēbeka koeficienta vērtības ir atkarīgas no saskarē esošo materiālu veida. Tomēr mēs noteikti varam teikt, ka metāliskajiem materiāliem šīs vērtības ir vienādas ar vienībām un desmitiem μV/K, savukārt pusvadītājiem tās ir simtiem μV/K, tas ir, pusvadītājiem ir par lielumu lielāks termoelektriskais spēks nekā metāliem.. Iemesls šim faktam ir pusvadītāju raksturlielumu spēcīgāka atkarība no temperatūras (vadītspēja, lādiņnesēju koncentrācija).
Procesa efektivitāte
Pārsteidzošais fakts par siltuma pārnesi elektrībā paver lieliskas iespējas šīs parādības pielietošanai. Tomēr tā tehnoloģiskajā izmantošanā svarīga ir ne tikai pati ideja, bet arī kvantitatīvās īpašības. Pirmkārt, kā parādīts, iegūtais emf ir diezgan mazs. Šo problēmu var apiet, izmantojot virknes savienojumu lielam skaitam vadītāju (kastiek darīts Peltjē kamerā, kas tiks apspriests tālāk).
Otrkārt, tas ir jautājums par termoelektroenerģijas ražošanas efektivitāti. Un šis jautājums paliek atklāts līdz šai dienai. Zēbeka efekta efektivitāte ir ārkārtīgi zema (apmēram 10%). Tas ir, no visa iztērētā siltuma tikai desmito daļu var izmantot lietderīga darba veikšanai. Daudzas laboratorijas visā pasaulē cenšas palielināt šo efektivitāti, ko var izdarīt, izstrādājot jaunas paaudzes materiālus, piemēram, izmantojot nanotehnoloģijas.
Izmantojot Zībeka atklāto efektu
Neskatoties uz zemo efektivitāti, tas joprojām tiek izmantots. Tālāk ir norādītas galvenās jomas:
- Termopāris. Zēbeka efektu veiksmīgi izmanto dažādu objektu temperatūras mērīšanai. Faktiski divu kontaktu sistēma ir termopāris. Ja ir zināms tā koeficients S un viena gala temperatūra, tad, izmērot spriegumu, kas rodas ķēdē, var aprēķināt otra gala temperatūru. Termopāri tiek izmantoti arī starojuma (elektromagnētiskās) enerģijas blīvuma mērīšanai.
- Elektrības ģenerēšana uz kosmosa zondēm. Cilvēka palaists zondes, lai izpētītu mūsu Saules sistēmu vai ārpus tās, izmanto Zēbeka efektu, lai darbinātu uz kuģa esošo elektroniku. Tas tiek darīts, pateicoties radiācijas termoelektriskajam ģeneratoram.
- Zēbeka efekta pielietošana mūsdienu automašīnās. BMW un Volkswagen paziņojaviņu automašīnās parādīsies termoelektriskie ģeneratori, kas izmantos no izplūdes caurules izdalīto gāzu siltumu.
Citi termoelektriskie efekti
Ir trīs termoelektriskie efekti: Seebeck, Peltier, Thomson. Pirmā būtība jau ir apsvērta. Kas attiecas uz Peltjē efektu, tas sastāv no viena kontakta sildīšanas un otra dzesēšanas, ja iepriekš aplūkotā ķēde ir savienota ar ārēju strāvas avotu. Tas ir, Zībeka un Peltjē efekti ir pretēji.
Tomsona efektam ir tāds pats raksturs, taču tas tiek aplūkots vienā un tajā pašā materiālā. Tās būtība ir siltuma izdalīšanās vai absorbcija, ko veic vadītājs, caur kuru plūst strāva un kura galos tiek uzturētas dažādas temperatūras.
Peltjē šūna
Ja runājam par patentiem termoģeneratoru moduļiem ar Zēbeka efektu, tad, protams, pirmais, ko viņi atceras, ir Peltjē šūna. Tā ir kompakta ierīce (4x4x0,4 cm), kas izgatavota no virknes n- un p-veida vadītāju, kas savienoti virknē. Jūs varat to pagatavot pats. Zībeka un Peltjē efekti ir viņas darba pamatā. Spriegumi un strāvas, ar kuriem tas darbojas, ir mazi (3-5 V un 0,5 A). Kā minēts iepriekš, tā darba efektivitāte ir ļoti maza (≈10%).
To izmanto tādu ikdienas uzdevumu risināšanai kā ūdens sildīšana vai dzesēšana krūzē vai mobilā tālruņa uzlāde.
