Efekt Seebecka: Jak teplotní rozdíly generují elektrickou energii

Seebeckův jev je fenomén, který převádí rozdíly teplot na elektrické napětí a naopak. Je pojmenován po německém fyzikovi Thomasu Johannu Seebeckovi, který ho objevil v roce 1821. Seebeckův jev je základem termočlánků, termoelektrických generátorů a spin caloritroniky.

Co je Seebeckův jev?

Seebeckův jev je definován jako generování elektrického potenciálu (nebo napětí) mezi dvěma různými vodivci nebo polovodiči, které jsou spojeny v smyčku a mají rozdíl teplot mezi svými spoji. Napětí je úměrné rozdílu teplot a závisí na použitých materiálech.

Například termočlánek je zařízení, které využívá Seebeckův jev k měření teploty. Sestává ze dvou drátů z různých kovů (jako jsou měď a železo), které jsou spojeny na obou koncích. Jedno koncové spojení je vystaveno horkému zdroji (jako plamen) a druhé koncové spojení je udržováno chladné (jako v ledu). Rozdíl teplot mezi konci vytváří napětí mezi dráty, které lze změřit voltmetrem.

Seebeckův jev lze také využít k generování elektřiny z odpadního tepla. Termoelektrický generátor je zařízení, které se skládá z mnoha termočlánků spojených v řadu nebo paralelně. Horká strana termočlánků je připojena k zdroji tepla (jako motor nebo pec) a chladná strana je připojena k tepelnému jímkovi (jako vzduch nebo voda). Rozdíl teplot mezi stranami vytváří napětí, které může pohánět elektrický zátěž (jako žárovka nebo ventilátor).

Jak funguje Seebeckův jev?

Seebeckův jev lze vysvětlit chováním elektronů v vodících a polovodičových materiálech. Elektrony jsou negativně nabité částice, které se v těchto materiálech pohybují volně. Když je vodivý nebo polovodičový materiál ohřát, elektrony získají více kinetické energie a tendují k rychlejšímu pohybu. To způsobuje jejich difuzi z horké oblasti do chladné, což vytváří elektrický proud.

Různé materiály mají různé množství a typy elektronů dostupných pro vedení. Některé materiály mají více elektronů než jiné a některé mají elektrony s různými orientacemi spinu. Spin je kvantová vlastnost elektronů, která jim umožňuje chovat se jako malé magnetky. Když jsou dva materiály s různými charakteristikami elektronů spojeny, vytvářejí rozhraní, kde elektrony mohou vyměňovat energii a spin.

Seebeckův jev nastává, když jsou taková dvě rozhraní vystavena rozdílu teplot. Elektrony na horkém rozhraní získají více energie a spinu od zdroje tepla a přenášejí je na elektrony na chladném rozhraní prostřednictvím smyčky. Toto vytváří nerovnováhu náboje a spinu mezi rozhraními, což vede k vytvoření elektrického potenciálu a magnetického pole. Elektrický potenciál pohání elektrický proud v smyčce, zatímco magnetické pole odkloní kompas umístěný poblíž něj.

Jaké jsou aplikace Seebeckova jevu?

Seebeckův jev má mnoho aplikací ve vědě, inženýrství a technologii. Některé z nich jsou:

• Termočlánky: Jsou to zařízení, která využívají Seebeckův jev k měření teploty s vysokou přesností a citlivostí. Jsou široce používány v průmyslu, laboratořích a domácnostech pro různé účely, jako je řízení troub, monitorování motorů, měření teploty těla atd.

• Termoelektrické generátory: Jsou to zařízení, která využívají Seebeckův jev k převodu odpadního tepla na elektřinu pro speciální aplikace, jako je pohon kosmických lodí, vzdálených senzorů, lékařských implantátů atd.

• Spin caloritronika: Je to oblast fyziky, která studuje, jak se teplo a spin interagují v magnetických materiálech. Seebeckův jev hraje v této oblasti klíčovou roli, protože může vytvářet spinové proudy a napětí z gradientů teplot. To může vést k novým zařízením pro zpracování a ukládání informací, jako jsou spinové baterie, spinové tranzistory, spinové ventily atd.

Jaké jsou výhody a omezení Seebeckova jevu?

Seebeckův jev má některé výhody a omezení, které ovlivňují jeho výkon a efektivitu. Některé z nich jsou:

• Výhody: Seebeckův jev je jednoduchý, spolehlivý a univerzální. Nevyžaduje žádné pohyblivé části ani externí zdroje energie. Může fungovat v širokém rozmezí teplot a materiálů. Může generovat elektřinu z nízkokvalitních zdrojů tepla, které by jinak byly ztraceny.

• Omezení: Seebeckův jev je omezen dostupností a kompatibilitou materiálů. Vyžaduje materiály s vysokou elektrickou vodivostí a nízkou tepelnou vodivostí, aby dosáhl vysokého napětí a nízkého ztrátového tepla. Také vyžaduje materiály s různými Seebeckovými koeficienty, aby vytvořil rozdíl napětí. Seebeckův koeficient je vlastnost, která měří, kolik napětí je vygenerováno za jednotku rozdílu teplot pro daný materiál. Seebeckův koeficient závisí na typu a koncentraci nosičů náboje, jejich energetických úrovních a jejich interakcích s mřížkou. Seebeckův koeficient může měnit se s teplotou, složením a magnetickým polem. Nalezení materiálů s vysokými a stabilními Seebeckovými koeficienty je výzvou pro termoelektrické aplikace.

Jaké typy materiálů se používají pro Seebeckův jev?

Materiály používané pro Seebeckův jev lze rozdělit do tří kategorií: kovy, polovodiče a nadvodiče.

• Kovy: Kovy jsou dobrými vodiči jak elektřiny, tak tepla. Mají nízké Seebeckovy koeficienty a vysokou tepelnou vodivost, což je činí neefektivními pro termoelektrické aplikace. Nicméně, kovy jsou snadno vyráběny a spojovány a mají vysokou mechanickou pevnost a stabilitu. Kovy jsou běžně používány pro termočlánky, kde je přesnost a dlouhověkost důležitější než efektivita. Některé příklady páru kovů používaných pro termočlánky jsou měď-konstantan, železo-konstantan, chromel-alumel atd.

• Polovodiče: Polovodiče jsou materiály, které mají střední elektrickou vodivost, kterou lze ovládat dopováním nebo aplikací elektrického pole. Mají vyšší Seebeckovy koeficienty a nižší tepelnou vodivost než kovy, což je činí vhodnějšími pro termoelektrické aplikace. Nicméně, polovodiče jsou obtížnější vyrábět a spojovat a mají nižší mechanickou pevnost a stabilitu než kovy. Polovodiče jsou běžně používány pro termoelektrické generátory a chladicí zařízení, kde je efektivita a výkon důležitější než přesnost a dlouhověkost. Některé příklady páru polovodičů používaných pro termoelektrická zařízení jsou bismut tellurid-antimon tellurid, olovo tellurid-sířan germanium atd.

• Nadvodiče: Nadvodiče jsou materiály, které mají nulovou elektrickou odpor pod kritickou teplotou. Mají velmi vysoké Seebeckovy koeficienty a velmi nízkou tepelnou vodivost, což je činí ideálními pro termoelektrické aplikace. Nicméně, nadvodiče jsou velmi vzácné a drahé a vyžadují velmi nízké teploty k funkčnosti, což omezuje jejich praktické použití. Nadvodiče jsou hl