A Seebeck-effekt: Hogyan generálja a hőmérsékletkülönbség az áramot

A Seebeck-effekt egy jelenség, amely hőmérsékletkülönbségeket átalakít elektromos feszültséggé és fordítva. A német fizikus Thomas Johann Seebeck után kapta a nevét, aki 1821-ben felfedezte. A Seebeck-effektus az alapja a hőmérőpár, termoelmeleti generátorok és a szpin kaloritronika.

Mi a Seebeck-effektus?

A Seebeck-effektust úgy definiálják, hogy két különböző vezető vagy félevezető anyag hőmérsékletkülönbségeinek létrehozása esetén jön létre egy elektromos potenciál (vagy feszültség). A feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel, és függ a használt anyagoktól.

Például, egy hőmérőpár eszköz, amely a Seebeck-effektust használja a hőmérséklet mérésére. Két különböző fém (pl. réz és vas) kábelyből áll, amelyek mindkét végén össze vannak kötve. Az egyik végét meleg forrásra (pl. láng) helyezik, a másikat pedig hideg forráshoz (pl. jégvizhez) tartanak. A végpontok közötti hőmérsékletkülönbség feszültséget hoz létre a kábelyekben, amelyet voltmeterral lehet mérni.

A Seebeck-effektust felhasználhatják a hulladék hő energiájának átalakítására is. A termoelmeleti generátor olyan eszköz, amely sok hőmérőpárból áll, amelyek sorban vagy párhuzamosan vannak összekötve. A hőmérőpárok forró oldala egy hőforrásra (pl. motor vagy tűzhely) van rögzítve, a hideg oldala pedig egy hővezetőre (pl. levegő vagy víz). A különböző oldalak közötti hőmérsékletkülönbség feszültséget hoz létre, amely elektrikus terhelést (pl. lámpát vagy ventilátort) tud ellátni.

Miben kifejeződik a Seebeck-effektus?

A Seebeck-effektust a vezetők és félevezetők elektronjainak viselkedése magyarázza. Az elektronok negatívan töltött részecskék, amelyek szabadon mozoghatnak ezekben az anyagokban. Ha egy vezetőt vagy félevezetőt melegítünk, az elektronok több kinetikai energiát szereznek, és gyorsabban mozognak. Ez okozza, hogy a meleg régióból a hideg régióba diffúziót végeznek, ami elektromos áramot hoz létre.

Azonban különböző anyagok különböző mennyiségű és típusú elektronokkal rendelkeznek a vezetéshez. Néhány anyag több elektronral rendelkezik, mint mások, és néhányan az elektronok különböző szpinsel rendelkeznek. A szpin a kvantummechanikai tulajdonság, amely az elektronokat apró mágnesekként teszi. Amikor két különböző elektron-jellemzőkkel rendelkező anyag össze van kötve, akkor egy interfész jön létre, ahol az elektronok energia- és szpin-cserebe kezdhetnek.

A Seebeck-effektus akkor jön létre, ha két ilyen interfész hőmérsékletkülönbségre van kitéve. A meleg interfész elektronjai több energiát és szpint szereznek a hőforrásból, és átadják őket a hideg interfész elektronjainak a hurokban. Ez eredményezi a töltés- és szpin-egyensúly eltérést a interfészek között, ami elektromos potenciált és mágneses mezőt hoz létre. Az elektromos potenciál elektromos áramot hoz létre a hurokban, míg a mágneses mező eltolja a kompas születőt, amelyet a közelébe helyezünk.

Mik a Seebeck-effektus alkalmazásai?

A Seebeck-effektusnak számos alkalmazása van a tudományban, mérnöki és technológiai területeken. Néhány példa:

• Hőmérőpárok: Ezek az eszközök a Seebeck-effektust használják a hőmérséklet pontos és érzékeny mérésére. Széles körben használják iparban, laboratóriumokban és otthoni körülményekben, például sütők vezérlésére, motorkölcsönzők figyelésére, testszín mérésére stb.

• Termoelmeleti generátorok: Ezek az eszközök a Seebeck-effektust használják a hulladék hő energiájának átalakítására speciális alkalmazásokhoz, például űrrepülők, távoli szenzorok, orvosi implantátumok ellátásához stb.

• Szpin kaloritronika: Ez a fizika egy ága, amely azt vizsgálja, hogyan interakció a hő és a szpin a mágneses anyagokban. A Seebeck-effektus nagy szerepet játszik ebben a területen, hiszen hőmérsékletgradiensből szpin-áramokat és feszültségeket hoz létre. Ez új eszközökhöz vezethet, információ feldolgozásához és tárolásához, például szpin akkumulátorok, szpin tranzisztorok, szpin váltók stb.

Mik a Seebeck-effektus előnyei és hátrányai?

A Seebeck-effektusnak néhány előnye és hátránya van, amelyek befolyásolják a teljesítményét és hatékonyságát. Néhány példa:

• Előnyök: A Seebeck-effektus egyszerű, megbízható és sokoldalú. Nem igényel mozgó részeket vagy külső energiát. Széles hőmérséklet-tartományon és anyagokon működhet. Elektromos energiát képes előállítani alacsony minőségű hőforrásokból, amelyek máskülönben elvesztek volna.

• Hátrányok: A Seebeck-effektus korlátozott a használható és kompatibilis anyagok elérhetőségével. Magas elektromos vezetésű és alacsony hővezetésű anyagokat igényel, hogy magas feszültséget és alacsony hőveszteséget érjen el. Különböző Seebeck-együtthatókkal rendelkező anyagokat igényel, hogy feszültségkülönbséget hozzon létre. A Seebeck-együttható egy tulajdonság, amely méri, hogy mennyi feszültség jön létre egység hőmérsékletkülönbségben adott anyag esetén. A Seebeck-együttható függ a töltésvizsgálódók típusától és koncentrációjától, energiaszintjüktől és a rácsval való interakcióiktól. A Seebeck-együttható változhat a hőmérséklettől, a összetételtől és a mágneses mezőtől. Magas és stabil Seebeck-együtthatós anyagok megtalálása kihívást jelent a termoelmeleti alkalmazások számára.

Milyen anyagokat használnak a Seebeck-effektusért?

A Seebeck-effektushoz használt anyagok három kategóriába oszthatók: fémek, félevezetők és szupravezetők.

• Fémek: A fémek jó elektromos és hővezetők. Alacsony Seebeck-együtthatókkal és magas hővezetési képességgel rendelkeznek, ami tettek ineffektívek a termoelmeleti alkalmazások számára. Azonban a fémek könnyen készíthetők és összekötődhetnek, és magas mechanikai erőt és stabilitást biztosítanak. A fémek gyakran használódnak hőmérőpárokban, ahol a pontosság és a tartóság fontosabb, mint az effektivitás. Néhány példa a fém pároknak, amelyeket hőmérőpárokhoz használnak, réz-konstántan, vas-konstántan, kromel-alumel stb.

• Félevezetők: A félevezetők olyan anyagok, amelyek közepes elektromos vezetési képességgel rendelkeznek, amelyet dopálással vagy elektromos mező alkalmazásával lehet irányítani. Magasabb Seebeck-együtthatókkal és alacsonyabb hővezetési képességgel rendelkeznek, mint a fémek, ami tettek alkalmasabbak a termoelmeleti alkalmazásokhoz. Azonban a félevezetők nehezebben készíthetők és összekötődhetnek, és alacsonyabb mechanikai erőt és stabilitást biztosítanak, mint a fémek. A félevezetőket gyakran használják termoelmeleti generátorokban és hűtőkben, ahol az effektivitás és a teljesítmény fontosabb, mint a pontosság és a tartóság. Néhány példa a félevezető pároknak, amelyeket termoelmeleti eszközökhöz használnak, bizmut-tehén-antimon-tehén, ólom-tehén-szilícium-germán stb.

• Szupravezetők: A szupravezetők olyan anyagok, amelyek zéró elektromos