Thermo-elektrische verschijnselen zijn een apart onderwerp in de natuurkunde, waarin ze nadenken over hoe temperatuur elektriciteit kan opwekken, en dit laatste leidt tot een verandering in temperatuur. Een van de eerste ontdekte thermo-elektrische verschijnselen was het Seebeck-effect.
Vereisten voor het openen van het effect
In 1797 ontdekte de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta, die onderzoek deed op het gebied van elektriciteit, een van de verbazingwekkende verschijnselen: hij ontdekte dat wanneer twee vaste materialen met elkaar in contact komen, er een potentiaalverschil optreedt in het contactgebied. Het wordt het contactverschil genoemd. Fysiek betekent dit feit dat de contactzone van ongelijksoortige materialen een elektromotorische kracht (EMF) heeft die kan leiden tot het verschijnen van een stroom in een gesloten circuit. Als nu twee materialen in één circuit zijn verbonden (om twee contacten ertussen te vormen), verschijnt de gespecificeerde EMF op elk van hen, die dezelfde grootte heeft, maar tegengesteld van teken. Dit laatste verklaart waarom er geen stroom wordt opgewekt.
De reden voor het verschijnen van EMF is een ander niveau van Fermi (energie)valentietoestanden van elektronen) in verschillende materialen. Wanneer deze laatste in contact komen, vlakt het Fermi-niveau af (in het ene materiaal neemt het af, in het andere). Dit proces vindt plaats door de passage van elektronen door het contact, wat leidt tot het verschijnen van een EMF.
Er moet meteen worden opgemerkt dat de EMF-waarde verwaarloosbaar is (in de orde van enkele tienden van een volt).
Ontdekking van Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (Duitse natuurkundige) voerde in 1821, dat wil zeggen 24 jaar na de ontdekking van het contactpotentiaalverschil door Volt, het volgende experiment uit. Hij verbond een plaat van bismut en koper en plaatste er een magnetische naald naast. In dit geval, zoals hierboven vermeld, trad er geen stroom op. Maar zodra de wetenschapper de vlam van de brander naar een van de contacten van de twee metalen bracht, begon de magnetische naald te draaien.
Nu weten we dat de Ampère-kracht gecreëerd door de stroomvoerende geleider ervoor zorgde dat deze draaide, maar op dat moment wist Seebeck dit niet, dus nam hij ten onrechte aan dat de geïnduceerde magnetisatie van metalen optreedt als gevolg van de temperatuur verschil.
De juiste verklaring voor dit fenomeen werd een paar jaar later gegeven door de Deense natuurkundige Hans Oersted, die erop wees dat we het hebben over een thermo-elektrisch proces en dat er een stroom door een gesloten circuit vloeit. Niettemin draagt het thermo-elektrische effect dat Thomas Seebeck heeft ontdekt momenteel zijn achternaam.
Fysica van lopende processen
Nogmaals om het materiaal te consolideren: de essentie van het Seebeck-effect is om te inducerenelektrische stroom als gevolg van het handhaven van verschillende temperaturen van twee contacten van verschillende materialen, die een gesloten circuit vormen.
Om te begrijpen wat er in dit systeem gebeurt en waarom er stroom in begint te lopen, moet u kennis maken met drie verschijnselen:
- De eerste is al genoemd - dit is de excitatie van de EMF in het contactgebied als gevolg van de uitlijning van de Fermi-niveaus. De energie van dit niveau in materialen verandert als de temperatuur stijgt of da alt. Dit laatste feit zal leiden tot het verschijnen van een stroom als twee contacten in een circuit worden gesloten (de evenwichtsomstandigheden in de contactzone van metalen bij verschillende temperaturen zullen verschillend zijn).
- Het proces van het verplaatsen van ladingsdragers van warme naar koude gebieden. Dit effect kan worden begrepen als we bedenken dat elektronen in metalen en elektronen en gaten in halfgeleiders in de eerste benadering als een ideaal gas kunnen worden beschouwd. Zoals bekend verhoogt deze laatste, wanneer verwarmd in een gesloten volume, de druk. Met andere woorden, in de contactzone, waar de temperatuur hoger is, is de "druk" van het elektronen(gat)gas ook hoger, dus ladingsdragers hebben de neiging om naar koudere delen van het materiaal te gaan, dat wil zeggen naar een ander contact.
- Ten slotte is een ander fenomeen dat leidt tot het verschijnen van stroom in het Seebeck-effect de interactie van fononen (roostertrillingen) met ladingsdragers. De situatie ziet eruit als een fonon, beweegt van een hete junctie naar een koude junctie, "raakt" een elektron (gat) en geeft er extra energie aan.
Drie processen gemarkeerdals resultaat wordt het optreden van stroom in het beschreven systeem bepaald.
Hoe wordt dit thermo-elektrische fenomeen beschreven?
Heel eenvoudig, hiervoor introduceren ze een bepaalde parameter S, die de Seebeck-coëfficiënt wordt genoemd. De parameter geeft aan of de EMF-waarde wordt geïnduceerd als het contacttemperatuurverschil gelijk wordt gehouden aan 1 Kelvin (graden Celsius). Dat wil zeggen, je kunt schrijven:
S=ΔV/ΔT.
Hier is ΔV de EMF van het circuit (spanning), ΔT is het temperatuurverschil tussen de warme en koude juncties (contactzones). Deze formule is slechts bij benadering correct, aangezien S in het algemeen afhangt van de temperatuur.
De waarden van de Seebeck-coëfficiënt zijn afhankelijk van de aard van de materialen waarmee contact wordt gemaakt. Desalniettemin kunnen we zeker stellen dat deze waarden voor metalen materialen gelijk zijn aan eenheden en tientallen V/K, terwijl ze voor halfgeleiders honderden μV/K zijn, dat wil zeggen dat halfgeleiders een orde van grootte grotere thermo-elektrische kracht hebben dan metalen. De reden hiervoor is een sterkere afhankelijkheid van de eigenschappen van halfgeleiders van temperatuur (geleidbaarheid, concentratie van ladingsdragers).
Procesefficiëntie
Het verrassende feit van de overdracht van warmte in elektriciteit biedt grote mogelijkheden voor de toepassing van dit fenomeen. Niettemin is voor het technologische gebruik niet alleen het idee zelf belangrijk, maar ook kwantitatieve kenmerken. Ten eerste, zoals is aangetoond, is de resulterende emf vrij klein. Dit probleem kan worden omzeild door een serieschakeling van een groot aantal geleiders (diewordt gedaan in de Peltier-cel, die hieronder zal worden besproken).
Ten tweede is het een kwestie van de efficiëntie van de opwekking van thermo-elektriciteit. En deze vraag blijft tot op de dag van vandaag openstaan. De efficiëntie van het Seebeck-effect is extreem laag (ongeveer 10%). Dat wil zeggen, van alle warmte die wordt verbruikt, kan slechts een tiende ervan worden gebruikt om nuttig werk te verrichten. Veel laboratoria over de hele wereld proberen deze efficiëntie te verhogen, wat kan worden gedaan door nieuwe generatie materialen te ontwikkelen, bijvoorbeeld met behulp van nanotechnologie.
Het effect gebruiken dat is ontdekt door Seebeck
Ondanks het lage rendement vindt het nog steeds zijn nut. Hieronder staan de belangrijkste gebieden:
- Thermokoppel. Het Seebeck-effect wordt met succes gebruikt om de temperatuur van verschillende objecten te meten. In feite is een systeem van twee contacten een thermokoppel. Als de coëfficiënt S en de temperatuur van een van de uiteinden bekend zijn, is het mogelijk om de temperatuur van het andere uiteinde te berekenen door de spanning in het circuit te meten. Thermokoppels worden ook gebruikt om de dichtheid van stralingsenergie (elektromagnetische) energie te meten.
- Opwekking van elektriciteit op ruimtesondes. Door mensen gelanceerde sondes om ons zonnestelsel of daarbuiten te verkennen, gebruiken het Seebeck-effect om de elektronica aan boord van stroom te voorzien. Dit wordt gedaan dankzij een thermo-elektrische stralingsgenerator.
- Toepassing van het Seebeck-effect in moderne auto's. BMW en Volkswagen aangekondigdhet verschijnen in hun auto's van thermo-elektrische generatoren die de warmte van de gassen die uit de uitlaatpijp worden uitgestoten, zullen gebruiken.
Andere thermo-elektrische effecten
Er zijn drie thermo-elektrische effecten: Seebeck, Peltier, Thomson. De essentie van het eerste is al overwogen. Wat betreft het Peltier-effect, het bestaat uit het verwarmen van het ene contact en het afkoelen van het andere, als het hierboven besproken circuit is aangesloten op een externe stroombron. Dat wil zeggen, de effecten van Seebeck en Peltier zijn tegengesteld.
Het Thomson-effect heeft dezelfde aard, maar wordt op hetzelfde materiaal beschouwd. De essentie is de afgifte of absorptie van warmte door een geleider waardoor stroom vloeit en waarvan de uiteinden op verschillende temperaturen worden gehouden.
Peltier-cel
Als we het hebben over patenten voor thermogeneratormodules met het Seebeck-effect, dan is het eerste wat ze zich natuurlijk de Peltier-cel herinneren. Het is een compact apparaat (4x4x0,4 cm) gemaakt van een reeks n- en p-type geleiders die in serie zijn geschakeld. Je kunt het zelf maken. De effecten van Seebeck en Peltier vormen de kern van haar werk. De spanningen en stromen waarmee het werkt zijn klein (3-5 V en 0,5 A). Zoals hierboven vermeld, is de efficiëntie van zijn werk erg klein (≈10%).
Het wordt gebruikt om alledaagse taken op te lossen, zoals het verwarmen of koelen van water in een mok of het opladen van een mobiele telefoon.
