Seebeck-efekti: Kuinka lämpötilaerot tuottavat sähköä
Seebeck-efekti on ilmi, joka muuttaa lämpötilaerot sähköiseksi Seebeck-efektiksi ja päinvastoin. Se on nimetty saksalaisen fyysikon Thomas Johann Seebeckin mukaan, joka löysi sen vuonna 1821. Seebeck-efekti on perusta termoparille, termoelektriselle generaattorille ja spin-kaloritroniikalle.
Mikä on Seebeck-efekti?
Seebeck-efekti määritellään eri sähköpotentiaalien (tai jännitteiden) luomiseksi kahdessa eri johtimessa tai puolijohteessa, jotka ovat yhdistetty silmukassa ja joilla on lämpötilaero niiden liitoskohtiissa. Jännite on suhteessa lämpötilaeroon ja riippuu käytetyistä materiaaleista.
Esimerkiksi, termopari on laite, joka käyttää Seebeck-efektia lämpötilan mittaukseen. Se koostuu kahdesta eri metallista (kuten kupari ja rauta) tehdystä kaapeleesta, jotka on yhdistetty molemmilla päätepisteillä. Toisen pään asetetaan kuumaan lähteeseen (kuten liekkiin) ja toisen pään pidetään kylmänä (kuten jäätävä vedessä). Lämpötilaero päätepisteissä luo jännitteen kaapeleiden välille, jonka voi mitata volttimetrilla.
Seebeck-efektiä voidaan myös käyttää sähköntuotannossa jätteelämmön avulla. Termoelektrinen generaattori on laite, joka koostuu monista termopareista, jotka ovat yhdistetty sarjassa tai rinnakkaan. Generaattorin kuumaa puolta kiinnitetään lämpölähdeeseen (kuten moottoriin tai uuniin) ja kylmää puolta lämpövaihtajaan (kuten ilmaan tai veteen). Lämpötilaero puolten välillä tuottaa jännitteen, jolla voidaan voimistaa sähköistä kuormaa (kuten valo- tai tuulilasi).
Miten Seebeck-efekti toimii?
Seebeck-efekti voidaan selittää elektronien käytöksestä johtimissa ja puolijohteissa. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka liikkuvat vapaasti näissä materiaaleissa. Kun johtimeen tai puolijohteeseen lämmittyy, elektronit saavat enemmän kinettista energiaa ja ne alkavat liikkua nopeammin. Tämä aiheuttaa niiden diffuusion kuumalta alueelta kylmälle alueelle, mikä luo sähkövirtauksen.
Kuitenkin, eri materiaalilla on eri määrä ja tyyppisiä elektronit johtamiseen. Jotkut materiaalit ovat rikkaampia elektronit kuin toiset, ja jotkut materiaalit ovat elektronit, joilla on erilaiset spinnisuunnat. Spin on kvanttimekanikallinen ominaisuus elektronille, joka tekee siitä pieni magneetti. Kun kaksi materiaalia, joilla on erilaiset elektronit ominaisuudet, yhdistetään, ne muodostavat rajapinnan, jossa elektronit voivat vaihtaa energiaa ja spiniä.
Seebeck-efekti tapahtuu, kun kaksi sellaista rajapintaa altistetaan lämpötilaeron. Kuumalla rajapinnalla olevat elektronit saavat enemmän energiaa ja spiniä lämpölähdeeltä ja siirtävät ne kylmälle rajapinnalle silmukan kautta. Tämä luo tasapainon sähkövarauksessa ja spinissä rajapintojen välillä, mikä johtaa sähköiseen potentiaaliin ja magneettikenttään. Sähköinen potentiaali ajaa sähkövirtauksen silmukan kautta, kun taas magneettikenttä poikkeaa kompassin neulan lähellä sitä.
Mitkä ovat Seebeck-efektin sovellukset?
Seebeck-efektiä käytetään paljon tieteessä, tekniikassa ja teknologiassa. Joitakin niistä ovat:
Termoparit: Nämä ovat laitteita, jotka käyttävät Seebeck-efektia lämpötilan mittaukseen korkealla tarkkuudella ja herkkyydellä. Niitä käytetään laajasti teollisuudessa, laboratorioissa ja kotitalouksissa eri tarkoituksiin, kuten uunien ohjaamiseen, moottorien valvontaan, kehonlämpömittaukseen jne.
Termoelektriset generaattorit: Nämä ovat laitteita, jotka käyttävät Seebeck-efektia jätteelämmön muuntamiseksi sähköksi erityisiä sovelluksia varten, kuten avaruusalusten, etäsensorien, lääketieteellisten implanttien jne. voimistamiseen.
Spin-kaloritroniikka: Tämä on fysiikan haara, joka tutkii, miten lämpö ja spin vaikuttavat magnetisissa materiaaleissa. Seebeck-efekti pelaa tärkeää roolia tässä alalla, sillä se voi luoda spinivirtauksia ja jännitteitä lämpögradienttien avulla. Tämä voi johtaa uusiin laitteisiin tiedonkäsittelyyn ja tallennukseen, kuten spin-batterioihin, spin-transistoreihin, spin-valveihin jne.
Mitkä ovat Seebeck-efektin edut ja rajoitukset?
Seebeck-efektilla on joitakin etuja ja rajoituksia, jotka vaikuttavat sen suorituskykyyn ja tehokkuuteen. Joitakin niistä ovat:
Edut: Seebeck-efekti on yksinkertainen, luotettava ja monipuolinen. Se ei vaadi liikkuvia osia tai ulkopuolisia voimalähteitä. Se voi toimia laajalla lämpötilavälillä ja materiaaleilla. Se voi tuottaa sähköä alatasoisista lämpölähdeistä, jotka olisivat muuten hukattu.
Rajoitukset: Seebeck-efektia rajoittavat materiaalien saatavuus ja yhteensopivuus. Sitä tarvitaan materiaaleja, joilla on korkea sähköinen johtavuus ja matala lämpöjohtavuus, jotta saadaan korkea jännite ja matala lämpöhäviö. Sitä tarvitaan myös materiaaleja, joilla on erilaisia Seebeck-kerrointa jännitteen ero luomiseksi. Seebeck-kerroin on ominaisuus, joka mittailee, kuinka paljon jännitettä tuotetaan yhden lämpötilaeron yksikköä kohden tietylle materiaalille. Seebeck-kerroin riippuu varauskantajien tyypistä ja pitoisuudesta, heidän energiatasoistaan ja niiden vuorovaikutuksesta hilan kanssa. Seebeck-kerroin voi vaihdella lämpötilan, koostumuksen ja magneettikentän mukaan. Materiaalien löytäminen, joilla on korkea ja vakaa Seebeck-kerroin, on haaste termoelektrisille sovelluksille.
Mitä materiaaleja käytetään Seebeck-efektissa?
Seebeck-efektissa käytetyt materiaalit voidaan luokitella kolmeen kategoriaan: metallit, puolijohteet ja superjohteet.
Metallit: Metallit ovat hyviä sekä sähkön että lämpön johtajia. Niillä on matala Seebeck-kerroin ja korkea lämpöjohtavuus, mikä tekee niistä tehottomia termoelektrisille sovelluksille. Kuitenkin, metallit ovat helposti valmistettavia ja yhdistettäviä, ja niillä on korkea mekaaninen vahvuus ja vakaus. Metalleja käytetään yleisesti termopareissa, joissa tarkkuus ja kestävyys ovat tärkeämpiä kuin tehokkuus. Joitakin esimerkkejä metallipareista, joita käytetään termopareissa, ovat kupari-constantan, rauta-constantan, chromel-alumel jne.
Puolijohteet: Puolijohteet ovat materiaaleja, joilla on keskitason sähköinen johtavuus, jota voidaan säätää dopinguilla tai sähkökentän soveltamisella. Niillä on korkeampi Seebeck-kerroin ja matalampi lämpöjohtavuus kuin metalleilla, mikä tekee niistä sopivampia termoelektrisille sovelluksille. Kuitenkin, puolijohteet ovat vaikeampia valmistaa ja yhdistää, ja niillä on alempi mekaaninen vahvuus ja vakaus kuin metalleilla. Puolijohteita käytetään yleisesti termoelektrisissä generaattoreissa ja jäädyttimissä, joissa tehokkuus ja suorituskyky ovat tärkeämpiä kuin tarkkuus ja kestävyys. Joitakin esimerkkejä puolijohteispareista, joita käytetään termoelektrisiin laitteisiin, ovat bismutti-telluuridi-antimoni-telluuridi, lyijy-telluuridi-hiili-silikaatti jne.
Superjohteet: Superjohteet ovat materiaaleja, joilla on nolla sähköinen vastus kriittisen lämpötilan alapuolella. Niillä on hyvin korkea Seebeck-kerroin ja hyvin matala lämpöjohtavuus, mikä tekee niistä ideaaleja termoelektrisille sovelluksille. Kuitenkin, superjohteet ovat hyvin harvinaisia ja kalliita, ja niiden toiminnan vaatii hyvin alhaisia lämpötiloja, mikä rajoittaa niiden käytettävyyttä. Superjohteita käytetään pääasiassa tutkimustarkoituksiin, kuten spin-Seebeck-efektin tutkimiseen, joka on ilmiö, joka sisältää spin-jännitteen tuotannon lämpögradientista magneettisessa materiaalissa.
