La Efekto de Seebeck: Kiel Temperaturodiferenco generas Elektronon
La efekto de Seebeck estas fenomeno, kiu konvertas temperaturdiferencon en elektran voton kaj inverse. Ĝi estas nomita post Thomas Johann Seebeck, germana fizikisto, kiu malkovris ĝin en 1821. La efekto de Seebeck estas la bazo de termoparoj, termoelektraj generiloj, kaj spincaloritroniko.
Kio estas la Efekto de Seebeck?
La efekto de Seebeck estas difinita kiel la generado de elektra potencialo (aŭ voto) trans du malsamajn konduktorojn aŭ duonkonduktorojn, kiuj estas konektitaj en cirklo kaj havas temperaturdiferencon inter iliaj kunligoj. La voto estas proporcia al la temperaturdiferenco kaj dependas de la materialoj uzataj.
Ekzemple, termoparo estas aparato, kiu uzas la efekton de Seebeck por mezuri temperaturon. Ĝi konsistas el du dratoj faritaj el malsamaj metaloj (kiel kupro kaj fero), kiuj estas kunigitaj je ambaŭ fino. Unu fino estas eksponita al varma fonto (kiel flamo) kaj la alia fino estas tenata malvarma (kiel en glacia akvo). La temperaturdiferenco inter la fino kreas voton trans la dratoj, kiu povas esti mezurata per voltmetro.
La efekto de Seebeck ankaŭ povas esti uzata por generi elektron da malutila varmo. Termoelektra generilo estas aparato, kiu konsistas el multaj termoparoj konektitaj en serio aŭ paralele. La varma flanko de la termoparoj estas fiksita al varma fonto (kiel motoro aŭ forno) kaj la malvarma flanko estas fiksita al varmalego (kiel aero aŭ akvo). La temperaturdiferenco inter la flankoj produktas voton, kiu povas alimenti elektran ŝarganton (kiel lumo aŭ ventilo).
Kiel Funkciadas la Efekto de Seebeck?
La efekto de Seebeck povas esti klarigita per la konduto de elektronoj en konduktoroj kaj duonkonduktoroj. Elektronoj estas negativokarĝitaj partikloj, kiuj moviĝas libere en tiuj materialoj. Kiam konduktoro aŭ duonkonduktoro estas varmita, ĝiaj elektronoj akiras pli da kineta energio kaj tendencas moviĝi pli rapide. Tio kaŭzas ilian difuzadon de la varma regiono al la malvarma regiono, kreante elektran kuranton.
Tamen, malsamaj materialoj havas malsaman kvanton kaj tipojn de elektronoj haveblaj por kondukado. Iuj materialoj havas pli da elektronoj ol aliaj, kaj iuj havas elektronojn kun malsama spinorientiĝo. Spin estas kvanteca propraĵo de elektronoj, kiu igas ilin agi kiel miniaturoj magnetoj. Kiam du materialoj kun malsamaj elektronpropraĵoj estas kunigitaj, ili formas interfacon, kie elektronoj povas interŝanĝi energion kaj spinon.
La efekto de Seebeck okazas, kiam du tiaj interfacoj estas submetitaj al temperaturdiferenco. La elektronoj ĉe la varma interfaco akiras pli da energio kaj spin de la varma fonto kaj transferas ilin al la elektronoj ĉe la malvarma interfaco tra la cirklo. Tio kreas neekvilibron de ŝargo kaj spin inter la interfacoj, rezultigante elektran potencialon kaj magnetan kampon. La elektra potencialo dirigeas elektran kuranton tra la cirklo, dum la magnetkampo deflektas kompasan akulon metitan proksime de ĝi.
Kiaj estas la Aplikoj de la Efekto de Seebeck?
La efekto de Seebeck havas multajn aplikojn en scienco, inĝenierarto, kaj teknologio. Iuj el ili estas:
Termoparoj: Tiuj estas aparatoj, kiuj uzas la efekton de Seebeck por mezuri temperaturon kun alta akurateco kaj sensibileco. Ili estas vaste uzataj en industrioj, laboratorioj, kaj hejmoj por diversaj celoj, kiel regado de fornoj, monitorado de motoroj, mezurado de korpoa temperaturo, ktp.
Termoelektraj generiloj: Tiuj estas aparatoj, kiuj uzas la efekton de Seebeck por konverti malutilan varmon en elektron por specialaj aplikoj, kiel alimentado de spaĉveturiloj, malproksimaj sensoroj, medicinaj implantoj, ktp.
Spincaloritroniko: Tio estas branĉo de fiziko, kiu studas, kiel varmo kaj spin interagi en magnetaj materialoj. La efekto de Seebeck ludas gravan rolon en tiu kampo, ĉar ĝi povas krei spinkurantojn kaj votojn el temperaturgradientoj. Tio povas konduki al novaj aparatoj por informa pritraktado kaj stokado, kiel spinnakaj baterioj, spintransistoroj, spinvalvoj, ktp.
Kiaj estas la Avantaĝoj kaj Limigoj de la Efekto de Seebeck?
La efekto de Seebeck havas kelkajn avantaĝojn kaj limigojn, kiuj afektas ĝian performon kaj efikecon. Iuj el ili estas:
Avantaĝoj: La efekto de Seebeck estas simpla, fidinda, kaj diversigita. Ĝi ne bezonas moviĝantajn partojn aŭ eksterajn energisourcejojn. Ĝi povas funkci sur larĝa gamo de temperaturoj kaj materialoj. Ĝi povas generi elektron el malaltgradaj varmovrcejoj, kiuj alie estus malperdite.
Limigoj: La efekto de Seebeck estas limigita de la disponebleco kaj kompatibloeco de materialoj. Ĝi bezonas materialojn kun alta elektra kondukado kaj malalta varma kondukado por atingi altan voton kaj malaltan varmoloson. Ĝi ankaŭ bezonas materialojn kun malsamaj Seebeck-koficientoj por krei voto-diferencon. La Seebeck-koficiento estas propraĵo, kiu mezuras, kiom da voto estas generita per unuota temperaturdiferenco por donita materialo. La Seebeck-koficiento dependas de la tipo kaj koncentro de ŝargokarrieroj, iliaj energiniveloj, kaj iliaj interagoj kun la reto. La Seebeck-koficiento povas varias kun temperaturo, kompozicio, kaj magneta kampo. Trovi materialojn kun alta kaj stabila Seebeck-koficiento estas provo por termoelektraj aplikoj.
Kiaj estas la Tipoj de Materialoj Uzitaj por la Efekto de Seebeck?
La materialoj uzitaj por la efekto de Seebeck povas esti klasifikitaj en tri kategorioj: metaloj, duonkonduktoroj, kaj superkonduktoroj.
Metaloj: Metaloj estas bonaj konduktoroj de ambaŭ elektron kaj varmo. Ili havas malaltajn Seebeck-koficientojn kaj altan varman kondukadon, kio igas ilin malbonajn por termoelektraj aplikoj. Tamen, metaloj estas facila fabrikadi kaj konekti, kaj ili havas altan mekanikan fortikon kaj stabilecon. Metaloj estas komune uzataj por termoparoj, kie akurateco kaj daŭrebleco estas pli grava ol efikeco. Iuj ekzemploj de metalaj paroj uzataj por termoparoj estas kupro-konstantano, fero-konstantano, kronel-alumel, ktp.
Duonkonduktoroj: Duonkonduktoroj estas materialoj, kiuj havas intermedian elektran kondukadon, kiu povas esti kontrolata per dopado aŭ aplikado de elektra kampo. Ili havas pli altajn Seebeck-koficientojn kaj pli malaltan varman kondukadon ol metaloj, kio igas ilin pli taŭgajn por termoelektraj aplikoj. Tamen, duonkonduktoroj estas pli malfacilaj fabrikadi kaj konekti, kaj ili havas pli malaltan mekanikan fortikon kaj stabilecon ol metaloj. Duonkonduktoroj estas komune uzataj por termoelektraj generiloj kaj refresiloj, kie efikeco kaj performanco estas pli grava ol akurateco kaj daŭrebleco. Iuj ekzemploj de duonkonduktaj paroj uzataj por termoelektraj aparatoj estas bismuttelurido-antimoniotelurido, plumtelurido-siliciumgermanido, ktp.
Superkonduktoroj: Superkonduktoroj estas materialoj, kiuj havas nulan elektran reziston sub kritika temperaturo. Ili havas tre altajn Seebeck-koficientojn kaj tre malaltan varman kondukadon, kio igas ilin ideajn por termoelektraj aplikoj. Tamen, superkonduktoroj estas tre raraj kaj kostaj, kaj ili bezonas tre malaltan temperaturon por funkcii, kio limigas ilian praktikan uzon. Superkonduktoroj estas ĉefe uzataj por esploraj celoj, kiel studado de la spin-effekto de Seebeck, kiu estas fenomeno, kiu implicas la generadon de spinvoto el temperaturgradiento en magnetmaterialo.
