Seebecki efekt: Kuidas temperatuurierinevused genereerivad elektrit

Seebecki efekt on nähtus, mis teisendab temperatuurilisi erinevusi elektrivooluks ja vastupidi. Selle nime on andnud saksa füüsik Thomas Johann Seebeck, kes avastas selle 1821. aastal. Seebecki efekt on põhiline termopaaride, termoelektriliste generaatorite ja spin-kaloritronika aluseks.

Mis on Seebecki efekt?

Seebecki efekt määratletakse kui elektrilise potentsiaali (või voltageni) tekke kahe erineva juhibehööbi või pooljuhibehööbi vahel, mis on ühendatud ringiks ja mille ühenduste vahel on temperatuurierinevus. Voltaž on proportsionaalne temperatuurierinevusega ja sõltub kasutatavatest materjalidest.

Näiteks termopaar on seade, mis kasutab Seebecki efekti temperatuuri mõõtmiseks. See koosneb kahest erinevast metallist (nt kupar ja raud), mis on ühendatud mõlemalt lõigust. Üks lõpp on eksponeeritud soojale allikale (nt plamile) ja teine lõpp on hoidud külmaks (nt jäävee). Lõppude vaheline temperatuurierinevus loob voltaži vedadel, mida saab mõõta voltmeteriga.

Seebecki efekti saab kasutada ka elektri tootmiseks jääksoojusest. Termoelektriline generaator on seade, mis koosneb paljudest termopaaridest, mis on ühendatud rida või paralleelselt. Termopaaride soe külg on liidetud soja allikaga (nt mootor või ahju) ja külm külg on liidetud soojuslaiali (nt õhk või vesi). Külgude vaheline temperatuurierinevus toodab voltaži, mis võib varustada elektrilist laadikut (nt valgustit või ventilaatorit).

Kuidas Seebecki efekt töötab?

Seebecki efekti saab selgitada elektronide käitumisega juhibehööbis ja pooljuhibehööbis. Elektronid on negatiivselt laetud osakesed, mis vabadusega liiguvad neis materjalides. Kui juhibehööbi või pooljuhibehööbi soojendatakse, siis tema elektronid saavad rohkem kineteenikut ja hakkavad kiiremini liikuma. See põhjustab nende diffusiooni soe piirkonnast külmaks piirkonda, lootes elektrivoolu.

Kuid erinevad materjalid omavad erinevat arvu ja tüüpi elektronidele joonduvate osakesete. Mõned materjalid omavad rohkem elektrone kui teised, ja mõned omavad elektrone, mille spin suund on erinev. Spin on kvantfüüsikaline omadus, mis muudab elektronid väikeseks magnetiks. Kui kaks materjali, millel on erinevad elektronide omadused, on ühendatud, moodustavad need piiri, kus elektronid võivad vahetada energia ja spin.

Seebecki efekt tekib, kui kaks sellist piiri on alandatud temperatuurierinevusele. Soe piiri elektronid saavad rohkem energiat ja spin suunda soojuse allikast ja edastavad need elektronidele külmaks piirkonda läbi ringi. See loob laenguga ja spiniga ebavõrdluse piiride vahel, tulemusena elektriline potentsiaal ja magnetväli. Elektriline potentsiaal ajab elektrivoolu ringi, samas kui magnetväli pööratab kompassi neela, mis on paigutatud selle lähedal.

Mida on Seebecki efekti rakendused?

Seebecki efektil on palju rakendusi teaduses, insenerites ja tehnoloogias. Mõned neist on:

• Termopaarid: Need on seadmed, mis kasutavad Seebecki efekti temperatuuri mõõtmiseks suure täpsuse ja tundlikkusega. Neid kasutatakse laialdaselt tööstuses, laborites ja kodudes mitmesugustel eesmärkidel, nagu ahju kontrollimine, mootorite jälgimine, keha temperatuuri mõõtmine jms.

• Termoelektrilised generaatorid: Need on seadmed, mis kasutavad Seebecki efekti jääksoojuse elektriks teisendamiseks erilistes rakendustes, nagu kosmoselaevade, kaugsensorite, meditsiiniliste implanteeritavate seadmete varustamine jms.

• Spin kaloritronika: See on füüsika haru, mis uurib, kuidas sooja ja spin suund interakteerivad magneetsetes materjalides. Seebecki efekt mängib selles valdkonnas olulist rolli, kuna see võib luua spin voolu ja voltageni temperatuurigradiendi abil. See võib viia uutele seadmetele informatsiooni töötlemiseks ja salvestamiseks, nagu spin akud, spin transistrid, spin vaadetid jms.

Mis on Seebecki efekti eelised ja piirangud?

Seebecki efektil on mõned eelised ja piirangud, mis mõjutavad selle jõudlust ja efektiivsust. Mõned neist on:

• Eelised: Seebecki efekt on lihtne, usaldusväärne ja mitmekülgne. See ei vaja liikuvaid osi ega väliseid energiaallikaid. See saab töötada laia temperatuurivalikuga ja erinevates materjalides. See saab toota elektrit madala kvaliteediga soojusest, mida muul viisil jäetakse raisku.

• Piirangud: Seebecki efekt on piiratud materjalide saadavuse ja ühilduvusega. Selleks on vaja materjale, mis omavad kõrget elektrijuhtivust ja madalat soojusjuhtivust, et saavutada kõrge voltaž ja madal soojuskaotus. Samuti on vaja materjale, millel on erinevad Seebecki kordajad, et luua voltageni erinevus. Seebecki kordaja on omadus, mis mõõdab, kui palju voltaži genereeritakse ühiku temperatuurierinevuse kohta antud materjalile. Seebecki kordaja sõltub laengutegurite tüübist ja koncentratsioonist, nende energia tasemetest ja nende interaktsioonidest ressaindiga. Seebecki kordaja võib variereeruda temperatuuri, koostise ja magnetväli muutustega. Materjalide leidmine, millel on kõrge ja stabiilne Seebecki kordaja, on väljakutse termoelektriliste rakenduste jaoks.

Millised materjalid kasutatakse Seebecki efekti jaoks?

Seebecki efekti jaoks kasutatavad materjalid saavad klassifitseerida kolme kategooriasse: metallid, pooljuhibehööbid ja superjuhibehööbid.

• Metallid: Metallid on hea elektrijuhtivust ja soojusjuhtivust omavad materjalid. Neil on madalad Seebecki kordajad ja kõrged soojusjuhtivused, mis teeb neist efektiivsuse poolest ebavõrdsete termoelektriliste rakenduste jaoks. Kuid metallid on lihtsad tootma ja ühendama, ja neil on kõrge mehaaniline tugevus ja stabiilsus. Metallid kasutatakse tavaliselt termopaaride jaoks, kus täpsus ja kestevus on olulisemad kui efektiivsus. Mõned metallide paari näited termopaaride jaoks on kupar-konstantan, raud-konstantan, kromel-alumel jms.

• Pooljuhibehööbid: Pooljuhibehööbid on materjalid, millel on keskmise suurusega elektrijuhtivus, mida saab kontrollida doteerimise või elektrivälja rakendamise teel. Neil on kõrgemad Seebecki kordajad ja madalamad soojusjuhtivused kui metallidel, mis teeb neist sobivamaid termoelektriliste rakenduste jaoks. Kuid pooljuhibehööbid on raske tootma ja ühendama, ja neil on madalam mehaaniline tugevus ja stabiilsus kui metallidel. Pooljuhibehööbid kasutatakse tavaliselt termoelektriliste generaatorite ja jahutite jaoks, kus efektiivsus ja jõudlus on olulisemad kui täpsus ja kestevus. Mõned pooljuhibehööbite paari näited termoelektriliste seadmete jaoks on bismuut-telluur-antimoon-telluur, veesium-telluur-silicium-germanium jms.

• Superjuhibehööbid: Superjuhibehööbid on materjalid, millel on nulline elektriline vastus kriitilise temperatuuri all. Neil on väga kõrge Seebecki kordaja ja väga madal soojusjuhtivus, mis teeb neist ideaalseid termoelektriliste rakenduste jaoks. Kuid superjuhibehööbid on väga haruldased ja kulukad, ja nende kasutamiseks on vaja väga madalaid temperatuure, mis piirab nende praktilist kasutust. Superjuhibehööbid kasutatakse peamiselt uurimiseks, näiteks spin-Seebecki efekti uurimiseks, mis on nähtus, mis hõlmab spin-voltaži genereerimist temperatuurigradiendi abil magneetmaterjalis.

Lõpetus

Seebecki efekt on huvitav nähtus, mis teisendab temperatuurilisi erinevusi elektrivooluks ja vastupidi. Tal on palju rakendusi teaduses, insenerites ja tehnoloogias, nagu termopaarid, termoelektrilised generaatorid, termoelektrilised jahutid ja spin kaloritronika. Seebecki efekt sõltub kasutatavatest materjalidest, nende elektrijuhtivusest, soojusjuhtivusest ja Seebecki kordajast. Materjalide leidmine, millel on kõrge ja stabiilne Seebecki kordaja, on väljakutse termoelektriliste seadmete efektiivsuse ja jõudluse parandamiseks.

Deklaratsioon: Respekti originaali, head artiklid on jagamiseks väärsed, kui on autoriõiguste rikkumine, palun kontakteeru kustutamiseks.