Ефектот на Сибек: Како температурните разлики генерираат електричество
Ефектот на Сибек е феномен кој конвертира разлики во температура во електрична напон и обратно. Именуван е по Томас Јохан Сибек, германски физичар кој го открил во 1821 година. Ефектот на Сибек е основа на термопарите, термоелектричните генератори и спин калоритрониката.
Што е ефектот на Сибек?
Ефектот на Сибек се дефинира како генерирање на електрични потенцијал (или напон) помеѓу две различни поводници или полупроводници кои се поврзани во циклус и имаат разлика во температурата помеѓу нивните јункција. Напонот е пропорционален на разликата во температура и зависи од материјалите користени.
На пример, термопара е уред кој користи ефектот на Сибек за мерење на температурата. Состои од два жице направени од различни метали (како мед и железо) кои се споени на двете крајни точки. Еден крај е изложен на горна извор (како пламен) а другиот крај е задржан хладок (како во ледена вода). Разликата во температурата помеѓу крајните точки создава напон помеѓу жиците, што може да се мери со волтметар.
Ефектот на Сибек исто така може да се користи за генерирање на електричество од отпадната топлина. Термоелектричниот генератор е уред кој состои од многу термопари поврзани во серија или паралелно. Горниот дел на термопарите е приклучен на извор на топлина (како мотор или пештера) а холодниот дел е приклучен на охладител (како воздух или вода). Разликата во температурата помеѓу деловите произведува напон кој може да ја надгради електричната опрема (како светилник или вентилатор).
Како функционира ефектот на Сибек?
Ефектот на Сибек може да се објасни со однесувањето на електроните во поводници и полупроводници. Електроните се негативно наелектрисани честички кои се слободно движеат во овие материјали. Кога поводник или полупроводник се загреат, нивните електрони добиваат повеќе кинетичка енергија и тенденција да се движеат побрзо. Ова ги прави да се дифундираат од горниот регион до хладок регион, создавајќи електрична струја.
Меѓутоа, различни материјали имаат различен број и типови на електрони достапни за проводливост. Некои материјали имаат повеќе електрони од други, а некои имаат електрони со различни ориентации на спин. Спинот е квантово својство на електроните што ги прави да се однесуваат како минијатюрни магнети. Кога два материјали со различни карактеристики на електроните се споени заедно, формираат интерфејс каде што електроните може да разменуваат енергија и спин.
Ефектот на Сибек се случува кога два такви интерфејси се подложени на разлика во температура. Електроните на горниот интерфејс добиваат повеќе енергија и спин од изворот на топлина и ги пренесуваат до електроните на хладок интерфејс преку циклусот. Ова создава несбалансираност на напон и спин помеѓу интерфејсите, резултирајќи во електрични потенцијал и магнетско поле. Електричниот потенцијал го движат електричната струја преку циклусот, додека магнетското поле одбија компасот поставен близу него.
Кои се примените на ефектот на Сибек?
Ефектот на Сибек има многу применувања во науката, инженерството и технологијата. Некои од нив се:
Термопари: Овие се уреди кои користат ефектот на Сибек за мерење на температурата со висока точност и осетливост. Широко се користат во индустријата, лабораториите и домашните уреди за различни цели, како контрола на печеници, мониторинг на мотори, мерење на телесна температура итн.
Термоелектрични генератори: Овие се уреди кои користат ефектот на Сибек за конверзија на отпадната топлина во електричество за специјални применувања, како поддршка на космички возила, удален сензор, медицински импланти итн.
Спин калоритроника: Ова е гранка на физиката која студира како топлината и спинот интерагираат во магнетни материјали. Ефектот на Сибек игра важна улога во ова поле, бидејќи може да креира спин струи и напони од градиенти на температура. Ова може да доведе до нови уреди за обработка и складирање на информации, како спин батерии, спин транзистори, спин клапи итн.
Кои се предностите и ограничувањата на ефектот на Сибек?
Ефектот на Сибек има некои предности и ограничувања што влијаат на неговата перформанса и ефикасност. Некои од нив се:
Предности: Ефектот на Сибек е едноставен, надежен и многуфункционален. Не бара никакви движења или надворешни извори на енергија. Може да функционира во широк дијапазон на температури и материјали. Може да генерира електричество од нискоквалитетни извори на топлина кои би биле изгубени.
Ограничувања: Ефектот на Сибек е ограничен од достапноста и компатибилноста на материјалите. Бара материјали со висока електрична проводливост и ниска топлинска проводливост за да се постигне висок напон и ниска губиток на топлина. Треба да има материјали со различни кофициенти на Сибек за да се создаде разлика во напонот. Кофициентот на Сибек е својство што мери колку напон се генерира по единица разлика во температура за даден материјал. Кофициентот на Сибек зависи од видот и концентрацијата на носачите на наелектрисана, нивните енергетски нивоа и нивните интеракции со решетката. Кофициентот на Сибек може да варира со температурата, составот и магнетното поле. Наоѓањето на материјали со висок и стабилен кофициент на Сибек е предизвик за термоелектрични применувања.
Кои се видовите на материјали користени за ефектот на Сибек?
Материјалите користени за ефектот на Сибек можат да се класифицират во три категории: метали, полупроводници и суперпроводници.
Метали: Металите се добри поводници на електричество и топлина. Имаат ниски кофициенти на Сибек и висока топлинска проводливост, што ги прави неефикасни за термоелектрични применувања. Меѓутоа, металите се лесни за производство и поврзување, и имаат висока механичка јачина и стабилност. Металите се често користат за термопари, каде што точноста и долговечноста се поважни од ефикасноста. Некои примери на парови на метали користени за термопари се мед-константан, железо-константан, хромел-алумел итн.
Полупроводници: Полупроводниците се материјали кои имаат средна електрична проводливост која може да се контролира со допирање или применување на електрично поле. Имаат посилни кофициенти на Сибек и пониска топлинска проводливост од метали, што ги прави погодни за термоелектрични применувања. Меѓутоа, полупроводниците се потешки за производство и поврзување, и имаат пониска механичка јачина и стабилност од метали. Полупроводниците се често користат за термоелектрични генератори и хладилници, каде што ефикасноста и перформансата се поважни од точноста и долговечноста. Некои примери на парови на полупроводници користени за термоелектрични уреди се бисмут телурид-антимониум телурид, свинцотелурид-германиум итн.
Суперпроводници: Суперпроводниците се материјали кои имаат нула електрична отпорност под критична температура. Имаат високи кофициенти на Сибек и много ниска топлинска проводливост, што ги прави идеални за термоелектрични применувања. Меѓутоа, суперпроводниците се многу ретки и скапи, и бараат многу ниски температури за работа, што ги ограничува нивната практична употреба.
