Ang
Thermoelectric phenomena ay isang hiwalay na paksa sa physics, kung saan isasaalang-alang nila kung paano nakalilikha ng kuryente ang temperatura, at ang huli ay humahantong sa pagbabago ng temperatura. Isa sa mga unang natuklasang thermoelectric phenomena ay ang Seebeck effect.
Mga kinakailangan para sa pagbubukas ng epekto
Noong 1797, ang Italyano na pisiko na si Alessandro Volta, na nagsasagawa ng pananaliksik sa larangan ng kuryente, ay natuklasan ang isa sa mga kamangha-manghang phenomena: natuklasan niya na kapag ang dalawang solidong materyal ay nagdikit, isang potensyal na pagkakaiba ang lilitaw sa lugar ng kontak. Ito ay tinatawag na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay. Sa pisikal, ang katotohanang ito ay nangangahulugan na ang contact zone ng hindi magkatulad na mga materyales ay may electromotive force (EMF) na maaaring humantong sa hitsura ng isang kasalukuyang sa isang closed circuit. Kung ngayon ang dalawang materyales ay konektado sa isang circuit (upang bumuo ng dalawang contact sa pagitan nila), pagkatapos ay lilitaw ang tinukoy na EMF sa bawat isa sa kanila, na magiging pareho sa magnitude, ngunit kabaligtaran sa sign. Ipinapaliwanag ng huli kung bakit walang nabubuong kasalukuyang.
Ang dahilan ng paglitaw ng EMF ay ibang antas ng Fermi (enerhiyavalence states ng mga electron) sa iba't ibang materyales. Kapag nakipag-ugnayan ang huli, bumababa ang antas ng Fermi (sa isang materyal ay bumababa, sa isa pa ay tumataas). Ang prosesong ito ay nangyayari dahil sa pagdaan ng mga electron sa pamamagitan ng contact, na humahantong sa paglitaw ng isang EMF.
Dapat tandaan kaagad na ang halaga ng EMF ay bale-wala (sa pagkakasunud-sunod ng ilang ikasampu ng isang volt).
Pagtuklas ni Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (German physicist) noong 1821, iyon ay, 24 na taon pagkatapos ng pagtuklas ng contact potential difference ni Volt, ay nagsagawa ng sumusunod na eksperimento. Ikinonekta niya ang isang plato ng bismuth at tanso, at naglagay ng magnetic needle sa tabi nila. Sa kasong ito, tulad ng nabanggit sa itaas, walang kasalukuyang naganap. Ngunit sa sandaling dinala ng scientist ang apoy ng burner sa isa sa mga contact ng dalawang metal, nagsimulang umikot ang magnetic needle.
Ngayon alam na natin na ang puwersa ng Ampère na nilikha ng kasalukuyang nagdadalang konduktor ay naging dahilan ng pag-ikot nito, ngunit sa oras na iyon ay hindi alam ito ni Seebeck, kaya nagkamali siyang ipinapalagay na ang sapilitan na magnetization ng mga metal ay nangyayari bilang resulta ng temperatura. pagkakaiba.
Ang tamang paliwanag para sa hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ibinigay pagkalipas ng ilang taon ng Danish physicist na si Hans Oersted, na itinuro na pinag-uusapan natin ang tungkol sa proseso ng thermoelectric, at ang isang kasalukuyang dumadaloy sa isang closed circuit. Gayunpaman, ang thermoelectric effect na natuklasan ni Thomas Seebeck ay kasalukuyang nasa kanyang apelyido.
Physics ng mga kasalukuyang proseso
Muli upang pagsama-samahin ang materyal: ang esensya ng epekto ng Seebeck ay upang himukinelectric current bilang resulta ng pagpapanatili ng magkaibang temperatura ng dalawang contact ng magkaibang materyales, na bumubuo ng closed circuit.
Upang maunawaan kung ano ang nangyayari sa system na ito, at kung bakit nagsisimula ang kasalukuyang pagtakbo dito, dapat kang maging pamilyar sa tatlong phenomena:
- Nabanggit na ang una - ito ang excitement ng EMF sa rehiyon ng contact dahil sa pagkakahanay ng mga antas ng Fermi. Ang enerhiya ng antas na ito sa mga materyales ay nagbabago habang tumataas o bumababa ang temperatura. Ang huling katotohanan ay hahantong sa paglitaw ng isang kasalukuyang kung ang dalawang contact ay sarado sa isang circuit (ang mga kondisyon ng equilibrium sa zone ng contact ng mga metal sa iba't ibang temperatura ay mag-iiba).
- Ang proseso ng paglipat ng mga charge carrier mula sa mainit patungo sa malamig na mga rehiyon. Ang epektong ito ay mauunawaan kung naaalala natin na ang mga electron sa mga metal at mga electron at mga butas sa semiconductors ay maaaring, sa unang pagtataya, ay maituturing na isang perpektong gas. Tulad ng nalalaman, ang huli, kapag pinainit sa isang saradong dami, pinatataas ang presyon. Sa madaling salita, sa contact zone, kung saan ang temperatura ay mas mataas, ang "pressure" ng electron (hole) gas ay mas mataas din, kaya ang mga carrier ng singil ay may posibilidad na pumunta sa mas malamig na mga lugar ng materyal, iyon ay, sa isa pang contact.
- Sa wakas, ang isa pang phenomenon na humahantong sa paglitaw ng kasalukuyang sa Seebeck effect ay ang pakikipag-ugnayan ng mga phonon (lattice vibrations) sa mga charge carrier. Ang sitwasyon ay mukhang isang phonon, lumilipat mula sa isang mainit na junction patungo sa isang malamig na junction, "natamaan" ang isang electron (butas) at nagbibigay ng karagdagang enerhiya dito.
Minarkahan ang tatlong prosesobilang resulta, natutukoy ang paglitaw ng kasalukuyang sa inilarawang sistema.
Paano inilarawan ang thermoelectric phenomenon na ito?
Napakasimple, para dito ipinakilala nila ang isang tiyak na parameter S, na tinatawag na Seebeck coefficient. Ipinapakita ng parameter kung ang halaga ng EMF ay na-induce kung ang pagkakaiba sa temperatura ng contact ay pinananatili na katumbas ng 1 Kelvin (degree Celsius). Ibig sabihin, maaari mong isulat ang:
S=ΔV/ΔT.
Narito ang ΔV ay ang EMF ng circuit (boltahe), ang ΔT ay ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mainit at malamig na mga junction (mga contact zone). Ang formula na ito ay tinatayang tama lamang, dahil ang S ay karaniwang nakadepende sa temperatura.
Ang mga halaga ng Seebeck coefficient ay nakadepende sa likas na katangian ng mga materyales na nakikipag-ugnayan. Gayunpaman, tiyak na masasabi natin na para sa mga metal na materyales ang mga halagang ito ay katumbas ng mga yunit at sampu-sampung μV/K, habang para sa mga semiconductors ang mga ito ay daan-daang μV/K, iyon ay, ang mga semiconductor ay may isang order ng magnitude na mas malaking thermoelectric na puwersa kaysa sa mga metal.. Ang dahilan para sa katotohanang ito ay isang mas malakas na pag-asa ng mga katangian ng semiconductors sa temperatura (conductivity, konsentrasyon ng mga carrier ng singil).
Episyente sa proseso
Ang nakakagulat na katotohanan ng paglipat ng init sa kuryente ay nagbubukas ng magagandang pagkakataon para sa paggamit ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Gayunpaman, para sa teknolohikal na paggamit nito, hindi lamang ang ideya mismo ang mahalaga, kundi pati na rin ang dami ng mga katangian. Una, tulad ng ipinakita, ang resultang emf ay medyo maliit. Maaaring malampasan ang problemang ito sa pamamagitan ng paggamit ng seryeng koneksyon ng malaking bilang ng mga konduktor (naay ginagawa sa Peltier cell, na tatalakayin sa ibaba).
Pangalawa, ito ay isang usapin ng kahusayan sa pagbuo ng thermoelectricity. At ang tanong na ito ay nananatiling bukas hanggang ngayon. Ang kahusayan ng epekto ng Seebeck ay napakababa (mga 10%). Iyon ay, sa lahat ng init na ginugol, isang ikasampu lamang nito ang maaaring magamit upang maisagawa ang kapaki-pakinabang na gawain. Maraming mga laboratoryo sa buong mundo ang nagsisikap na pataasin ang kahusayan na ito, na maaaring gawin sa pamamagitan ng pagbuo ng mga bagong henerasyong materyales, halimbawa, gamit ang nanotechnology.
Gamit ang epekto na natuklasan ni Seebeck
Sa kabila ng mababang kahusayan, nahahanap pa rin nito ang paggamit nito. Nasa ibaba ang mga pangunahing lugar:
- Thermocouple. Ang Seebeck effect ay matagumpay na ginagamit upang sukatin ang temperatura ng iba't ibang bagay. Sa katunayan, ang isang sistema ng dalawang contact ay isang thermocouple. Kung ang coefficient S nito at ang temperatura ng isa sa mga dulo ay kilala, pagkatapos ay sa pamamagitan ng pagsukat ng boltahe na nangyayari sa circuit, posibleng kalkulahin ang temperatura ng kabilang dulo. Ginagamit din ang mga Thermocouples para sukatin ang density ng radiant (electromagnetic) energy.
- Pagbuo ng kuryente sa mga space probe. Ang mga probe na inilunsad ng tao upang galugarin ang ating solar system o higit pa ay gamitin ang Seebeck effect upang paganahin ang electronics sa board. Ginagawa ito salamat sa isang radiation thermoelectric generator.
- Application ng Seebeck effect sa mga modernong sasakyan. Inihayag ng BMW at Volkswagenang hitsura sa kanilang mga sasakyan ng mga thermoelectric generator na gagamit ng init ng mga gas na ibinubuga mula sa exhaust pipe.
Iba pang thermoelectric effect
May tatlong thermoelectric effect: Seebeck, Peltier, Thomson. Ang kakanyahan ng una ay isinasaalang-alang na. Tulad ng para sa epekto ng Peltier, binubuo ito sa pagpainit ng isang contact at paglamig sa isa pa, kung ang circuit na tinalakay sa itaas ay konektado sa isang panlabas na kasalukuyang pinagmulan. Ibig sabihin, magkasalungat ang mga epekto ng Seebeck at Peltier.
Ang Thomson effect ay may parehong kalikasan, ngunit ito ay isinasaalang-alang sa parehong materyal. Ang kakanyahan nito ay ang pagpapalabas o pagsipsip ng init ng isang konduktor kung saan dumadaloy ang kasalukuyang at ang mga dulo nito ay pinananatili sa iba't ibang temperatura.
Peltier cell
Kapag pinag-uusapan ang tungkol sa mga patent para sa mga thermo-generator module na may Seebeck effect, kung gayon, siyempre, ang unang bagay na natatandaan nila ay ang Peltier cell. Ito ay isang compact na aparato (4x4x0.4 cm) na ginawa mula sa isang serye ng mga n- at p-type na conductor na konektado sa serye. Maaari mong gawin ito sa iyong sarili. Ang mga epekto ng Seebeck at Peltier ay nasa puso ng kanyang trabaho. Ang mga boltahe at alon kung saan ito gumagana ay maliit (3-5 V at 0.5 A). Tulad ng nabanggit sa itaas, ang kahusayan ng trabaho nito ay napakaliit (≈10%).
Ginagamit ito upang malutas ang mga pang-araw-araw na gawain gaya ng pagpainit o pagpapalamig ng tubig sa isang mug o pag-recharge ng mobile phone.
