Termoelektrik olayı, sıcaklığın nasıl elektrik üretebileceğini ve ikincisinin sıcaklıkta bir değişikliğe yol açabileceğini düşündükleri fizikte ayrı bir konudur. İlk keşfedilen termoelektrik olaylardan biri Seebeck etkisiydi.
Etki açmak için önkoşullar
1797'de, elektrik alanında araştırmalar yürüten İtalyan fizikçi Alessandro Volta, şaşırtıcı fenomenlerden birini keşfetti: iki katı madde temas ettiğinde, temas alanında potansiyel bir fark ortaya çıktığını keşfetti. Temas farkı denir. Fiziksel olarak, bu gerçek, farklı malzemelerin temas bölgesinin kapalı bir devrede bir akımın görünmesine yol açabilecek bir elektromotor kuvvetine (EMF) sahip olduğu anlamına gelir. Şimdi bir devreye iki malzeme bağlanırsa (aralarında iki kontak oluşturmak için), o zaman her birinde belirtilen EMF görünecektir, bu büyüklük olarak aynı, ancak işaretin tersi olacaktır. İkincisi neden akım üretilmediğini açıklar.
EMF'nin ortaya çıkmasının nedeni, farklı bir Fermi seviyesidir (enerjielektronların değerlik durumları) farklı malzemelerde. İkincisi temas ettiğinde, Fermi seviyesi düzleşir (bir malzemede azalır, diğerinde artar). Bu işlem, elektronların temastan geçişi nedeniyle oluşur ve bu da bir EMF'nin ortaya çıkmasına neden olur.
EMF değerinin ihmal edilebilir olduğuna hemen dikkat edilmelidir (bir voltun birkaç onda biri düzeyinde).
Thomas Seebeck'in Keşfi
Thomas Seebeck (Alman fizikçi) 1821'de, yani Volt'un kontak potansiyel farkını keşfetmesinden 24 yıl sonra, aşağıdaki deneyi yaptı. Bir tabak bizmut ve bakır bağladı ve yanlarına manyetik bir iğne yerleştirdi. Bu durumda, yukarıda belirtildiği gibi, hiçbir akım oluşmadı. Ancak bilim adamı brülörün alevini iki metalin temas noktalarından birine getirir getirmez manyetik iğne dönmeye başladı.
Artık akım taşıyan iletken tarafından oluşturulan Amper kuvvetinin onu döndürmesine neden olduğunu biliyoruz, ancak o zaman Seebeck bunu bilmiyordu, bu yüzden yanlışlıkla metallerin indüklenen manyetizasyonunun sıcaklığın bir sonucu olduğunu varsaydı. fark.
Bu fenomen için doğru açıklama birkaç yıl sonra Danimarkalı fizikçi Hans Oersted tarafından yapıldı ve termoelektrik bir süreçten bahsettiğimizi ve bir akımın kapalı bir devreden geçtiğini belirtti. Bununla birlikte, Thomas Seebeck tarafından keşfedilen termoelektrik etki şu anda onun soyadını taşımaktadır.
Devam eden süreçlerin fiziği
Malzemeyi bir kez daha pekiştirmek için: Seebeck etkisinin özü,kapalı bir devre oluşturan farklı malzemelerin iki kontağının farklı sıcaklıklarını korumanın bir sonucu olarak elektrik akımı.
Bu sistemde ne olduğunu ve akımın neden içinde akmaya başladığını anlamak için üç fenomenle tanışmalısınız:
- İlkinden daha önce bahsedilmiştir - bu, Fermi seviyelerinin hizalanması nedeniyle temas bölgesindeki EMF'nin uyarılmasıdır. Malzemelerde bu seviyenin enerjisi, sıcaklık arttıkça veya azaldıkça değişir. İkinci gerçek, bir devrede iki kontak kapalıysa bir akımın ortaya çıkmasına yol açacaktır (farklı sıcaklıklarda metallerin temas bölgesindeki denge koşulları farklı olacaktır).
- Yük taşıyıcıları sıcaktan soğuk bölgelere taşıma süreci. Bu etki, metallerdeki elektronların ve yarı iletkenlerdeki elektronların ve deliklerin ilk yaklaşımda ideal gaz olarak kabul edilebileceğini hatırlarsak anlaşılabilir. Bilindiği gibi, ikincisi kapalı bir hacimde ısıtıldığında basıncı arttırır. Yani sıcaklığın daha yüksek olduğu temas bölgesinde elektron (delik) gazının "basıncı" da daha yüksektir, bu nedenle yük taşıyıcılar malzemenin daha soğuk bölgelerine yani başka bir kontağa gitme eğilimindedir.
- Son olarak, Seebeck etkisinde akımın ortaya çıkmasına neden olan bir diğer fenomen, fononların (kafes titreşimleri) yük taşıyıcılarla etkileşimidir. Durum bir fonona benziyor, sıcak bir bağlantıdan soğuk bir bağlantıya hareket ediyor, bir elektrona (deliğe) "vuruyor" ve ona ek enerji veriyor.
Üç işlem işaretlendisonuç olarak açıklanan sistemde akımın oluşumu belirlenir.
Bu termoelektrik olay nasıl tanımlanır?
Çok basit, bunun için Seebeck katsayısı adı verilen belirli bir S parametresini tanıtıyorlar. Parametre, kontak sıcaklık farkı 1 Kelvin'e (santigrat derece) eşit tutulursa EMF değerinin indüklenip indüklenmediğini gösterir. Yani şunu yazabilirsiniz:
S=ΔV/ΔT.
Burada ΔV, devrenin (voltaj) EMF'sidir, ΔT, sıcak ve soğuk bağlantılar (temas bölgeleri) arasındaki sıcaklık farkıdır. Bu formül yalnızca yaklaşık olarak doğrudur, çünkü S genellikle sıcaklığa bağlıdır.
Seebeck katsayısının değerleri, temas halinde olan malzemelerin doğasına bağlıdır. Bununla birlikte, kesinlikle söyleyebiliriz ki, metalik malzemeler için bu değerler, birimlere ve onlarca μV/K'ye eşitken, yarı iletkenler için yüzlerce μV/K'dir, yani yarı iletkenler, metallerden daha büyük bir termoelektrik kuvvete sahiptir.. Bu gerçeğin nedeni, yarı iletkenlerin özelliklerinin sıcaklığa (iletkenlik, yük taşıyıcıların konsantrasyonu) daha güçlü bir bağımlılığıdır.
Süreç verimliliği
Isının elektriğe aktarılmasıyla ilgili şaşırtıcı gerçek, bu fenomenin uygulanması için büyük fırsatlar sunar. Bununla birlikte, teknolojik kullanımı için sadece fikrin kendisi değil, aynı zamanda niceliksel özellikler de önemlidir. İlk olarak, gösterildiği gibi, ortaya çıkan emk oldukça küçüktür. Bu sorun, çok sayıda iletkenin (ki buaşağıda tartışılacak olan Peltier hücresinde yapılır).
İkincisi, termoelektrik üretim verimliliği meselesidir. Ve bu soru bu güne kadar açık kalır. Seebeck etkisinin etkinliği son derece düşüktür (yaklaşık %10). Yani harcanan tüm ısının sadece onda biri faydalı işler yapmak için kullanılabilir. Dünya çapında birçok laboratuvar, örneğin nanoteknoloji kullanarak yeni nesil malzemeler geliştirerek yapılabilecek bu verimliliği artırmaya çalışıyor.
Seebeck tarafından keşfedilen efekti kullanma
Düşük verimliliğe rağmen yine de kullanım alanı buluyor. Aşağıda ana alanlar bulunmaktadır:
- Termokupl. Seebeck etkisi, çeşitli nesnelerin sıcaklıklarını ölçmek için başarıyla kullanılır. Aslında, iki kontaklı bir sistem bir termokupldur. S katsayısı ve uçlardan birinin sıcaklığı biliniyorsa, devrede oluşan voltajı ölçerek diğer ucun sıcaklığını hesaplamak mümkündür. Isıl çiftler ayrıca radyan (elektromanyetik) enerjinin yoğunluğunu ölçmek için kullanılır.
- Uzay sondalarında elektrik üretimi. Güneş sistemimizi veya ötesini keşfetmek için insan tarafından başlatılan sondalar, gemideki elektroniğe güç sağlamak için Seebeck etkisini kullanır. Bu, bir radyasyon termoelektrik jeneratörü sayesinde yapılır.
- Modern arabalarda Seebeck etkisinin uygulanması. BMW ve Volkswagen duyurduegzoz borusundan yayılan gazların ısısını kullanacak termoelektrik jeneratörlerin arabalarındaki görünümü.
Diğer termoelektrik etkiler
Üç termoelektrik etki vardır: Seebeck, Peltier, Thomson. İlkinin özü zaten düşünülmüştür. Peltier etkisine gelince, yukarıda tartışılan devre harici bir akım kaynağına bağlıysa, bir kontağı ısıtmak ve diğerini soğutmaktan oluşur. Yani Seebeck ve Peltier etkileri zıttır.
Thomson etkisi aynı doğaya sahiptir, ancak aynı malzeme üzerinde düşünülür. Özü, içinden akımın geçtiği ve uçları farklı sıcaklıklarda tutulan bir iletken tarafından ısının serbest bırakılması veya emilmesidir.
Peltier hücre
Seebeck etkisine sahip termo-jeneratör modülleri için patentlerden bahsederken, elbette hatırladıkları ilk şey Peltier hücresidir. Seri bağlanmış bir dizi n- ve p tipi iletkenden yapılmış kompakt bir cihazdır (4x4x0.4 cm). Kendin yapabilirsin. Seebeck ve Peltier efektleri, çalışmalarının merkezinde yer alıyor. Çalıştığı voltaj ve akımlar küçüktür (3-5 V ve 0,5 A). Yukarıda belirtildiği gibi, çalışmasının verimliliği çok küçüktür (≈%10).
Bir kupada su ısıtmak veya soğutmak veya bir cep telefonunu şarj etmek gibi günlük görevleri çözmek için kullanılır.
