Ефектът на Зеебек: Как температурните разлики генерират електричество

Ефектът на Seebeck е феномен, който преобразува температурните разлики в електрическо напрежение и обратно. Той е наречен по името на немския физик Томас Йохан Зебек, който го открил през 1821 г. Ефектът на Seebeck е основата за термопарите, термоелектричните генератори и спин-калоритрониката.

Какво е ефектът на Seebeck?

Ефектът на Seebeck се дефинира като генериране на електрическо потенциално напрежение (или напрежение) между две различни проводимости или полупроводници, свързани в цикъл, и имащи температурна разлика между техните спойки. Напрежението е пропорционално на температурната разлика и зависи от използваните материали.

Например, термопарата е устройство, което използва ефекта на Seebeck за измерване на температурата. Тя се състои от два жица, направени от различни метали (например мед и железо), които са свързани на двете си края. Единият край е изложен на горещ източник (например пламък), а другият се поддържа студен (например в ледена вода). Температурната разлика между краищата създава напрежение между жиците, което може да бъде измерено с волтметър.

Ефектът на Seebeck може също да се използва за генериране на електричество от отпадъчна топлина. Термоелектричният генератор е устройство, което се състои от много термопари, свързани последователно или паралелно. Горещата страна на термопарите е прикрепена към източник на топлина (например двигател или печ), а студената страна е прикрепена към хладилник (например въздух или вода). Температурната разлика между страните произвежда напрежение, което може да задвижи електрическа нагрузка (например крушка или вентилатор).

Как работи ефектът на Seebeck?

Ефектът на Seebeck може да бъде обяснен с поведението на електроните в проводимостите и полупроводниците. Електроните са заредени частици, които се движат свободно в тези материали. Когато проводимост или полупроводник се нагреят, електроните им получават повече кинетична енергия и се стремят да се движат по-бързо. Това причинява те да се разпространяват от горещата зона към студената, създавайки електрически ток.

Однако, различните материали имат различен брой и типове налични електрони за проводимост. Някои материали имат повече електрони от други, и някои имат електрони с различни ориентации на спина. Спинът е квантова характеристика на електроните, която ги прави да действат като миниатюрни магнити. Когато два материала с различни характеристики на електроните се свържат, те формират интерфејс, където електроните могат да разменят енергия и спин.

Ефектът на Seebeck възниква, когато два такива интерфејса са изложени на температурна разлика. Електроните на горещия интерфејс получават повече енергия и спин от източника на топлината и ги прехвърлят към електроните на студения интерфејс чрез цикъла. Това създава дисбаланс на заряд и спин между интерфејсите, резултиращ в електрическо потенциално напрежение и магнитно поле. Електрическото потенциално напрежение задвижва електрически ток чрез цикъла, докато магнитното поле отклонява компас, поставен близо до него.

Какви са приложенията на ефекта на Seebeck?

Ефектът на Seebeck има много приложения в науката, инженерството и технологията. Някои от тях са:

• Термопари: Тези устройства използват ефекта на Seebeck за измерване на температурата с висока точност и чувствителност. Те се използват широко в индустрията, лабораториите и домакинствата за различни цели, като контрол на фурни, мониторинг на двигатели, измерване на телесна температура и т.н.

• Термоелектрични генератори: Тези устройства използват ефекта на Seebeck за преобразуване на отпадъчна топлина в електричество за специални приложения, като захранване на космически апарати, отдалечени сензори, медицински импланти и т.н.

• Спин-калоритроника: Това е клон на физиката, който изучава как топлината и спинът взаимодействат в магнитни материали. Ефектът на Seebeck играе важна роля в този клон, тъй като може да създаде спинови токове и напрежения от температурни градиенти. Това може да доведе до нови устройства за обработка и съхранение на информация, като спинови батерии, спинови транзистори, спинови клапани и т.н.

Какви са предимствата и ограниченията на ефекта на Seebeck?

Ефектът на Seebeck има някои предимства и ограничения, които влияят върху неговата производителност и ефективност. Някои от тях са:

• Предимства: Ефектът на Seebeck е прост, надежден и многогранен. Не изисква никакви движещи се части или външни източници на енергия. Може да работи в широк диапазон от температури и материали. Може да генерира електричество от нисковъзходни източници на топлина, които иначе биха били загубени.

• Ограничения: Ефектът на Seebeck е ограничен от наличността и съвместимостта на материали. Изисква материали с висока електрическа проводимост и ниска теплопроводимост, за да се постигне високо напрежение и ниска загуба на топлина. Също така изисква материали с различни Seebeck коефициенти, за да се създаде напрежение. Seebeck коефициентът е свойство, което измерва колко напрежение се генерира за единица температурна разлика за даден материал. Seebeck коефициентът зависи от типа и концентрацията на носители на заряд, техните енергийни нива и взаимодействията им с решетката. Seebeck коефициентът може да варира с температурата, състава и магнитното поле. Намирането на материали с високи и стабилни Seebeck коефициенти е предизвикателство за термоелектрични приложения.

Какви видове материали се използват за ефекта на Seebeck?

Материалите, използвани за ефекта на Seebeck, могат да бъдат класифицирани в три категории: метали, полупроводници и свръхпроводници.

• Метали: Металите са добри проводници на електричество и топлина. Те имат ниски Seebeck коефициенти и висока теплопроводимост, което ги прави неефективни за термоелектрични приложения. Въпреки това, металите са лесни за изработване и свързване, и имат висока механична устойчивост и стабилност. Металите се използват широко за термопари, където точността и издръжливостта са по-важни от ефективността. Някои примери за метални двойки, използвани за термопари, са мед-константан, желязо-константан, хромел-алумел и т.н.

• Полупроводници: Полупроводниците са материали, които имат средна електрическа проводимост, която може да бъде контролирана чрез допиране или прилагане на електрическо поле. Те имат по-високи Seebeck коефициенти и по-ниска теплопроводимост от металите, което ги прави по-подходящи за термоелектрични приложения. Въпреки това, полупроводниците са по-трудни за изработване и свързване, и имат по-ниска механична устойчивост и стабилност от металите. Полупроводниците се използват широко за термоелектрични генератори и охладители, където ефективността и производителността са по-важни от точността и издръжливостта. Някои примери за полупроводници, използвани за термоелектрични устройства, са бисмуттелурид-антимонтелурид, свинцов телурид-силиций-германий и т.н.

• Свръхпроводници: Свръхпроводниците са материали, които имат нула електрическо съпротивление под критична температура. Те имат много високи Seebeck коефициенти и много нис