Termoelektrik hadisələr fizikada ayrıca bir mövzudur ki, onlar temperaturun elektrik enerjisini necə əmələ gətirə biləcəyini və sonuncunun temperaturun dəyişməsinə səbəb olduğunu düşünürlər. İlk kəşf edilən termoelektrik hadisələrdən biri Seebeck effekti idi.
Effektin açılması üçün ilkin şərtlər
1797-ci ildə elektrik sahəsində tədqiqat aparan italyan fiziki Alessandro Volta heyrətamiz hadisələrdən birini kəşf etdi: o kəşf etdi ki, iki bərk material təmasda olduqda təmas sahəsində potensial fərq yaranır. Buna təmas fərqi deyilir. Fiziki olaraq, bu fakt bir-birinə bənzəməyən materialların təmas zonasının qapalı bir dövrədə cərəyanın görünüşünə səbəb ola biləcək bir elektromotor qüvvəyə (EMF) malik olduğunu bildirir. İndi iki material bir dövrədə birləşdirilirsə (aralarında iki əlaqə yaratmaq üçün), onda göstərilən EMF onların hər birində görünəcək, bu da böyüklükdə eyni olacaq, lakin işarənin əksinə olacaq. Sonuncu cərəyanın niyə yaranmadığını izah edir.
EMF-nin yaranmasının səbəbi fərqli Fermi səviyyəsidir (enerjielektronların valentlik halları) müxtəlif materiallarda. Sonuncular təmasda olduqda, Fermi səviyyəsi azalır (bir materialda azalır, digərində artır). Bu proses elektronların kontaktdan keçməsi səbəbindən baş verir ki, bu da EMF-nin yaranmasına səbəb olur.
Dərhal qeyd etmək lazımdır ki, EMF dəyəri cüzidir (voltun onda bir neçəsi qədər).
Tomas Seebeck-in kəşfi
Tomas Seebeck (Alman fiziki) 1821-ci ildə, yəni Volt tərəfindən təmas potensialı fərqini kəşf etdikdən 24 il sonra aşağıdakı təcrübəni apardı. O, vismut və mis boşqabını birləşdirdi və onların yanına maqnit iynəsi qoydu. Bu halda, yuxarıda qeyd edildiyi kimi, heç bir cərəyan baş vermədi. Lakin alim ocaq alovunu iki metalın kontaktlarından birinə gətirən kimi maqnit iynəsi dönməyə başladı.
İndi biz bilirik ki, cərəyan keçiricinin yaratdığı Amper qüvvəsi onun dönməsinə səbəb olur, lakin o zaman Seebek bunu bilmirdi, ona görə də səhvən metalların induksiya edilmiş maqnitləşməsinin temperaturun təsiri nəticəsində baş verdiyini güman edirdi. fərq.
Bu hadisənin düzgün izahını bir neçə il sonra danimarkalı fizik Hans Oersted vermiş və o, söhbətin termoelektrik prosesdən getdiyinə və qapalı dövrədən cərəyanın keçdiyinə diqqət çəkmişdir. Buna baxmayaraq, Tomas Seebeck tərəfindən kəşf edilən termoelektrik effekt hazırda onun soyadını daşıyır.
Davam edən proseslərin fizikası
Bir daha materialı möhkəmləndirmək üçün: Seebeck effektinin mahiyyəti induksiya etməkdir.qapalı dövrə təşkil edən müxtəlif materialların iki kontaktının müxtəlif temperaturlarının saxlanması nəticəsində elektrik cərəyanı.
Bu sistemdə nə baş verdiyini və cərəyanın niyə orada işləməyə başladığını başa düşmək üçün siz üç hadisə ilə tanış olmalısınız:
- Birincisi artıq qeyd edilmişdir - bu, Fermi səviyyələrinin uyğunlaşması səbəbindən təmas bölgəsində EMF-nin həyəcanlanmasıdır. Materiallarda bu səviyyənin enerjisi temperaturun yüksəlməsi və ya azalması ilə dəyişir. Sonuncu fakt, bir dövrədə iki kontakt bağlanarsa, cərəyanın görünüşünə səbəb olacaqdır (müxtəlif temperaturda metalların təmas zonasında tarazlıq şərtləri fərqli olacaq).
- Yük daşıyıcılarının isti bölgələrdən soyuq bölgələrə köçürülməsi prosesi. Metallarda və elektronlardakı elektronların və yarımkeçiricilərdəki dəliklərin birinci yaxınlaşmada ideal qaz sayıla biləcəyini xatırlasaq, bu təsiri başa düşmək olar. Məlum olduğu kimi, ikincisi, qapalı həcmdə qızdırıldıqda, təzyiqi artırır. Başqa sözlə desək, temperaturun daha yüksək olduğu təmas zonasında elektron (deşik) qazının “təzyiq”i də yüksək olur, ona görə də yük daşıyıcıları materialın daha soyuq sahələrinə, yəni başqa kontakta getməyə meyllidirlər.
- Nəhayət, Seebek effektində cərəyanın yaranmasına səbəb olan başqa bir hadisə fononların (torlu titrəmələrin) yük daşıyıcıları ilə qarşılıqlı təsiridir. Vəziyyət fonona bənzəyir, isti qovşaqdan soyuq keçidə keçərək elektrona (dəliyə) "vurur" və ona əlavə enerji verir.
Üç proses qeyd edildinəticədə təsvir olunan sistemdə cərəyanın baş verməsi müəyyən edilir.
Bu termoelektrik hadisə necə təsvir olunur?
Çox sadədir, bunun üçün onlar Seebeck əmsalı adlanan müəyyən S parametrini təqdim edirlər. Parametr kontakt temperatur fərqi 1 Kelvinə (Selsi dərəcə) bərabər saxlanılarsa, EMF dəyərinin induksiya edilib-edilmədiyini göstərir. Yəni yaza bilərsiniz:
S=ΔV/ΔT.
Burada ΔV dövrənin EMF (gərginlik), ΔT isti və soyuq keçidlər (əlaqə zonaları) arasındakı temperatur fərqidir. Bu düstur yalnız təxminən doğrudur, çünki S ümumiyyətlə temperaturdan asılıdır.
Seebeck əmsalının dəyərləri təmasda olan materialların təbiətindən asılıdır. Buna baxmayaraq, biz qəti şəkildə deyə bilərik ki, metal materiallar üçün bu dəyərlər vahidlərə və onlarla μV/K-ya bərabərdir, yarımkeçiricilər üçün isə yüzlərlə μV/K-dır, yəni yarımkeçiricilər metallardan daha böyük termoelektrik qüvvəyə malikdirlər.. Bu faktın səbəbi yarımkeçiricilərin xüsusiyyətlərinin temperaturdan (keçiricilik, yük daşıyıcılarının konsentrasiyası) daha güclü asılılığıdır.
Prosesin effektivliyi
İstiliyin elektrikə ötürülməsinin təəccüblü faktı bu fenomenin tətbiqi üçün böyük imkanlar açır. Buna baxmayaraq, onun texnoloji istifadəsi üçün təkcə ideyanın özü deyil, həm də kəmiyyət xüsusiyyətləri vacibdir. Birincisi, göstərildiyi kimi, ortaya çıxan emf olduqca kiçikdir. Bu problemi çox sayda keçiricinin ardıcıl birləşməsi ilə aradan qaldırmaq olar (hansı kiaşağıda müzakirə olunacaq Peltier hüceyrəsində edilir).
İkincisi, bu, termoelektrik istehsalının səmərəliliyi məsələsidir. Və bu sual bu günə qədər açıq qalır. Seebeck effektinin effektivliyi olduqca aşağıdır (təxminən 10%). Yəni sərf olunan bütün istilikdən onun yalnız onda biri faydalı iş görmək üçün istifadə edilə bilər. Dünyanın bir çox laboratoriyaları bu səmərəliliyi artırmağa çalışır, bunu yeni nəsil materialların hazırlanması ilə, məsələn, nanotexnologiyadan istifadə etməklə etmək olar.
Sebeck tərəfindən aşkar edilmiş effektdən istifadə etməklə
Aşağı effektivliyə baxmayaraq, hələ də istifadəsini tapır. Aşağıda əsas sahələr var:
- Termocüt. Seebeck effekti müxtəlif obyektlərin temperaturlarını ölçmək üçün uğurla istifadə olunur. Əslində, iki kontaktdan ibarət bir sistem termocütdür. Əgər onun S əmsalı və uclarından birinin temperaturu məlumdursa, onda dövrədə baş verən gərginliyi ölçməklə digər ucun temperaturunu hesablamaq olar. Termocütlər həmçinin şüalanma (elektromaqnit) enerjinin sıxlığını ölçmək üçün istifadə olunur.
- Kosmik zondlarda elektrik enerjisi istehsalı. Günəş sistemimizi araşdırmaq və ya göyərtədəki elektronikanı gücləndirmək üçün Seebeck effektindən istifadə etmək üçün insan tərəfindən buraxılmış zondlar. Bu, radiasiya termoelektrik generatoru sayəsində edilir.
- Müasir avtomobillərdə Seebeck effektinin tətbiqi. BMW və Volkswagen elan etdionların avtomobillərində egzoz borusundan atılan qazların istiliyindən istifadə edəcək termoelektrik generatorların görünüşü.
Digər termoelektrik effektlər
Üç termoelektrik effekt var: Seebeck, Peltier, Tomson. Birincinin mahiyyəti artıq nəzərdən keçirilmişdir. Peltier effektinə gəldikdə, yuxarıda müzakirə olunan dövrə xarici cərəyan mənbəyinə qoşulduqda, bir kontaktın qızdırılması və digərinin soyudulmasından ibarətdir. Yəni Seebeck və Peltier effektləri əksdir.
Tomson effekti eyni təbiətə malikdir, lakin eyni material üzərində nəzərə alınır. Onun mahiyyəti cərəyanın keçdiyi və ucları müxtəlif temperaturlarda saxlanılan keçirici tərəfindən istiliyin buraxılması və ya udulmasıdır.
Peltier hüceyrəsi
Sebeck effektli termogenerator modulları üçün patentlərdən danışarkən, təbii ki, ilk xatırladıqları şey Peltier hüceyrəsidir. Ardıcıl olaraq bağlanmış bir sıra n və p tipli keçiricilərdən hazırlanmış kompakt cihazdır (4x4x0,4 sm). Siz özünüz edə bilərsiniz. Seebeck və Peltier effektləri onun işinin əsasını təşkil edir. Onun işlədiyi gərginliklər və cərəyanlar kiçikdir (3-5 V və 0,5 A). Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, onun işinin səmərəliliyi çox kiçikdir (≈10%).
Bir fincanda suyun qızdırılması və ya soyudulması və ya mobil telefonun doldurulması kimi gündəlik işləri həll etmək üçün istifadə olunur.
