Efekt Seebecka: Kako razlike temperature generiraju struju
Seebeck-efekt je pojava koja pretvara razlike u temperaturi u električni napon i obrnuto. Nazvan je po njemačkom fizičaru Thomasu Johannu Seebecku, koji ga je otkrio 1821. godine. Seebeck-efekt je temelj termoparova, termoelektričnih generatora i spin kaloritronike.
Što je Seebeck-efekt?
Seebeck-efekt definira se kao generiranje električnog potencijala (ili napona) između dvaju različitih provodnika ili poluprovodnika spojenih u petlju s temperaturnom razlikom na njihovim spojevima. Napon je proporcionalan temperaturnoj razlici i ovisi o materijalima koji se koriste.
Na primjer, termopar je uređaj koji koristi Seebeck-efekt za mjerenje temperature. Sastoji se od dva voda različitih metala (kao što su bakar i željezo) spojena na oba kraja. Jedan kraj je izložen toplom izvoru (kao što je plamen) a drugi kraj se zadržava hladnim (kao što su ledena voda). Temperaturna razlika između krajeva stvara napon između voda, koji se može mjeriti voltmetrom.
Seebeck-efekt se također može koristiti za generiranje struje iz otpadne topline. Termoelektrični generator je uređaj sastavljen od mnogo termopara spojenih u redove ili paralelno. Topli dio termopara priključen je toplom izvoru (kao što je motor ili pećnica) a hladni dio priključen je hladnjaku (kao što su zrak ili voda). Temperaturna razlika između dijelova proizvodi napon koji može snabdeti električnu opterećenja (kao što su svjetiljke ili ventilatori).
Kako funkcionira Seebeck-efekt?
Seebeck-efekt može se objasniti ponašanjem elektrona u provodnicima i poluprovodnicima. Elektroni su negativno nabijeni čestice koje se slobodno kreću u tim materijalima. Kada se provodnik ili poluprovodnik zagrije, njegovi elektroni dobivaju više kinetičke energije i teže bržom kretanju. To uzrokuje da se oni difundiraju iz topleg u hladniji područje, stvarajući električnu struju.
Međutim, različiti materijali imaju različite brojeve i vrste elektrona dostupnih za provođenje. Neki materijali imaju više elektrona od drugih, a neki imaju elektrone s različitim orijentacijama spina. Spin je kvantna svojstvo elektrona koje ih dovodi do ponašanja kao malih magneta. Kada se spoje dva materijala s različitim karakteristikama elektrona, formiraju sučelje gdje elektroni mogu razmjenjivati energiju i spin.
Seebeck-efekt se javlja kada se takva sučelja izlože temperaturnoj razlici. Elektroni na toplom sučelju dobivaju više energije i spina od toplinskog izvora i prenose ih elektronima na hladnom sučelju kroz petlju. To stvara neravnotežu nabojnosti i spina između sučelja, rezultirajući električnim potencijalom i magnetskim poljem. Električni potencijal pokreće električnu struju kroz petlju, dok magnetsko polje odvija kompas postavljen blizu njega.
Koji su primjeni Seebeck-efekta?
Seebeck-efekt ima mnoge primjene u znanosti, inženjerstvu i tehnologiji. Neki od njih su:
Termopari: Ovi su uređaji koji koriste Seebeck-efekt za točno i osjetljivo mjerenje temperature. Široko se koriste u industriji, laboratorijima i domaćinstvima za razne svrhe, kao što su kontrola pećnice, nadgledanje motora, mjerenje tjelesne temperature itd.
Termoelektrični generatori: Ovi su uređaji koji koriste Seebeck-efekt za pretvaranje otpadne topline u električnu energiju za specifične primjene, kao što su snabdevanje svemirske letjelice, udaljenih senzora, medicinskih implantata itd.
Spin kaloritronika: Ovo je grana fizike koja proučava kako se toplina i spin međusobno djeluju u magnetskim materijalima. Seebeck-efekt igra važnu ulogu u ovom području, jer može stvoriti spin struje i napone iz temperaturnih gradijenta. To može dovesti do novih uređaja za obradu i pohranu informacija, kao što su spin baterije, spin tranzistori, spin ventilirane itd.
Koji su prednosti i ograničenja Seebeck-efekta?
Seebeck-efekt ima neke prednosti i ograničenja koja utječu na njegovu performansu i učinkovitost. Neki od njih su:
Prednosti: Seebeck-efekt je jednostavan, pouzdan i versatile. Ne zahtijeva nikakve pokretni dijelove ili vanjske izvore struje. Može raditi u širokom rasponu temperatura i materijala. Može generirati struju iz niskokvalitetnih toplinskog izvora koji bi inače bili odbačeni.
Ograničenja: Seebeck-efekt je ograničen dostupnošću i kompatibilnošću materijala. Zahtijeva materijale s visokom električnom provodljivošću i niskom toplinskom provodljivošću kako bi se postigao visoki napon i niska gubitaka toplote. Također zahtijeva materijale s različitim Seebeckovim koeficijentima kako bi se stvorila razlika napona. Seebeckov koeficijent je svojstvo koje mjeri koliko napona se generira po jedinici temperaturne razlike za određeni materijal. Seebeckov koeficijent ovisi o vrsti i koncentraciji nosača naboja, njihovim energetskim razinama i njihovim interakcijama s rešetkom. Seebeckov koeficijent se može mijenjati s temperaturom, sastavom i magnetskim poljem. Pronalaženje materijala s visokim i stabilnim Seebeckovim koeficijentima je izazov za termoelektrične primjene.
Koji su tipovi materijala korišteni za Seebeck-efekt?
Materijali korišteni za Seebeck-efekt mogu se klasificirati u tri kategorije: metali, poluprovodnici i superprovodnici.
Metali: Metali su dobri provodnici i topline i struje. Imaju niske Seebeckove koeficijente i visoku toplinsku provodljivost, što ih čini neučinkovitim za termoelektrične primjene. Međutim, metali su laki za izradu i spoj, te imaju visoku mehaničku čvrstoću i stabilnost. Metali se često koriste za termopare, gdje su točnost i dugotrajnost važnije od učinkovitosti. Neki primjeri para metala korištenih za termopare su bakar-konstantan, željezo-konstantan, kromel-alumel itd.
Poluprovodnici: Poluprovodnici su materijali s intermediarnom električnom provodljivošću koja se može kontrolirati dopiranjem ili primjenom električnog polja. Imaju više Seebeckove koeficijente i niže toplinske provodljivosti od metala, što ih čini pogodnijima za termoelektrične primjene. Međutim, poluprovodnici su teži za izradu i spoj, te imaju nižu mehaničku čvrstoću i stabilnost od metala. Poluprovodnici se često koriste za termoelektrične generatori i hlađenje, gdje je učinkovitost i performanse važnije od točnosti i dugotrajnosti. Neki primjeri para poluprovodnika korištenih za termoelektrične uređaje su bismut tellurid-antimonijev tellurid, olovni tellurid-silicij germanij itd.
Superprovodnici: Superprovodnici su materijali s nulom električnom upornosti ispod kritične temperature. Imaju vrlo visoke Seebeckove koeficijente i vrlo niske toplinske provodljivosti, što ih čini idealnima za termoelektrične primjene. Međutim, superprovodnici su vrlo rijetki i skupi, te zahtijevaju vrlo niske temperature kako bi radili, što ograničava njihovu praktičnu upotrebu. Superprovodnici se uglavnom koriste za istraživačke svrhe, kao što je proučavanje spin Seebeck-efekta, koji je pojava koja uključuje generiranje spin napona iz temperaturnog gradijenta u magnetskom materijalu.
