Kesan Seebeck: Bagaimana Perbezaan Suhu Menghasilkan Elektrik
Kesan Seebeck adalah fenomena yang menukar perbezaan suhu kepada voltan elektrik voltan dan sebaliknya. Ia dinamakan sempena Thomas Johann Seebeck, seorang ahli fizik Jerman yang menemui ia pada tahun 1821. Kesan Seebeck adalah asas bagi termokopel, pembangkit tenaga termoelektrik, dan spin caloritronics.
Apakah Kesan Seebeck?
Kesan Seebeck didefinisikan sebagai penjanaan potensial elektrik (atau voltan) di antara dua konduktor atau semikonduktor yang berbeza yang disambungkan dalam satu gelung dan mempunyai perbezaan suhu antara sambungan mereka. Voltan itu berkadar dengan perbezaan suhu dan bergantung pada bahan yang digunakan.
Sebagai contoh, termokopel adalah peranti yang menggunakan kesan Seebeck untuk mengukur suhu. Ia terdiri daripada dua wayar yang dibuat daripada logam yang berbeza (seperti tembaga dan besi) yang disambungkan pada kedua-dua hujung. Satu hujung dikenakan kepada sumber panas (seperti api) dan hujung lain dipelihara sejuk (seperti dalam air ais). Perbezaan suhu antara hujung-hujung tersebut mencipta voltan di seluruh wayar, yang boleh diukur oleh voltmeter.
Kesan Seebeck juga boleh digunakan untuk menjana elektrik dari haba sisa. Pembangkit tenaga termoelektrik adalah peranti yang terdiri daripada banyak termokopel yang disambungkan secara siri atau selari. Sisi panas termokopel disambungkan kepada sumber haba (seperti enjin atau tungku) dan sisi sejuk disambungkan kepada sink haba (seperti udara atau air). Perbezaan suhu antara sisi-sisi tersebut menghasilkan voltan yang boleh membangkitkan beban elektrik (seperti lampu atau kipas).
Bagaimana Kesan Seebeck Berfungsi?
Kesan Seebeck boleh dijelaskan melalui tingkah laku elektron dalam konduktor dan semikonduktor. Elektron adalah zarah bercas negatif yang bergerak bebas dalam bahan-bahan ini. Apabila konduktor atau semikonduktor dipanaskan, elektronnya mendapat lebih tenaga kinetik dan cenderung bergerak lebih cepat. Ini menyebabkan mereka mensebar dari kawasan panas ke kawasan sejuk, mencipta arus elektrik.
Walau bagaimanapun, bahan-bahan yang berbeza mempunyai jumlah dan jenis elektron yang berbeza untuk pengkonduksian. Sesetengah bahan mempunyai lebih banyak elektron daripada yang lain, dan sesetengah mempunyai elektron dengan orientasi putaran yang berbeza. Putaran adalah sifat kuantum elektron yang membuat mereka bertindak seperti magnet kecil. Apabila dua bahan dengan ciri-ciri elektron yang berbeza disambungkan bersama, mereka membentuk antara muka di mana elektron boleh bertukar tenaga dan putaran.
Kesan Seebeck berlaku apabila dua antara muka tersebut dikenakan kepada perbezaan suhu. Elektron di antara muka panas mendapat lebih tenaga dan putaran dari sumber haba dan mentransfernya kepada elektron di antara muka sejuk melalui gelung. Ini mencipta ketidakseimbangan cas dan putaran antara antara muka, menghasilkan potensial elektrik dan medan magnet. Potensial elektrik mendorong arus elektrik melalui gelung, manakala medan magnet melencongkan jarum kompas yang diletakkan dekat dengannya.
Apakah Aplikasi Kesan Seebeck?
Kesan Seebeck mempunyai banyak aplikasi dalam sains, kejuruteraan, dan teknologi. Beberapa di antaranya adalah:
Termokopel: Ini adalah peranti yang menggunakan kesan Seebeck untuk mengukur suhu dengan ketepatan dan sensitiviti yang tinggi. Mereka digunakan secara meluas dalam industri, makmal, dan rumah tangga untuk pelbagai tujuan, seperti mengawal ketuhar, memantau enjin, mengukur suhu badan, dll.
Pembangkit tenaga termoelektrik: Ini adalah peranti yang menggunakan kesan Seebeck untuk menukar haba sisa menjadi elektrik untuk aplikasi khas, seperti membangkitkan kapal angkasa, sensor jauh, implan perubatan, dll.
Spin caloritronics: Ini adalah cabang fizik yang mengkaji bagaimana haba dan putaran berinteraksi dalam bahan magnet. Kesan Seebeck memainkan peranan penting dalam bidang ini, kerana ia boleh mencipta arus putaran dan voltan dari gradien suhu. Ini boleh membawa kepada peranti baru untuk pemprosesan dan penyimpanan maklumat, seperti bateri putaran, transistor putaran, katup putaran, dll.
Apakah Kelebihan dan Kekurangan Kesan Seebeck?
Kesan Seebeck mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan yang mempengaruhi prestasi dan kecekapan. Beberapa di antaranya adalah:
Kelebihan: Kesan Seebeck mudah, dapat dipercayai, dan serbaguna. Ia tidak memerlukan bahagian bergerak atau sumber kuasa luar. Ia boleh beroperasi dalam julat suhu dan bahan yang luas. Ia boleh menjana elektrik dari sumber haba rendah yang sebaliknya akan terbuang.
Kekurangan: Kesan Seebeck terhad oleh ketersediaan dan kebolehan bahan. Ia memerlukan bahan dengan kekonduksian elektrik yang tinggi dan kekonduksian haba yang rendah untuk mencapai voltan yang tinggi dan kehilangan haba yang rendah. Ia juga memerlukan bahan dengan koefisien Seebeck yang berbeza untuk mencipta perbezaan voltan. Koefisien Seebeck adalah sifat yang mengukur berapa banyak voltan yang dihasilkan per unit perbezaan suhu untuk bahan tertentu. Koefisien Seebeck bergantung pada jenis dan kepekatan pembawa cas, tahap energi mereka, dan interaksi mereka dengan rangkaian. Koefisien Seebeck boleh berubah dengan suhu, komposisi, dan medan magnet. Mencari bahan dengan koefisien Seebeck yang tinggi dan stabil adalah cabaran untuk aplikasi termoelektrik.
Apakah Jenis Bahan yang Digunakan untuk Kesan Seebeck?
Bahan yang digunakan untuk kesan Seebeck boleh diklasifikasikan dalam tiga kategori: logam, semikonduktor, dan superkonduktor.
Logam: Logam adalah pengkonduksi baik untuk elektrik dan haba. Mereka mempunyai koefisien Seebeck yang rendah dan kekonduksian haba yang tinggi, yang membuat mereka kurang efisien untuk aplikasi termoelektrik. Walau bagaimanapun, logam mudah difabrikasi dan disambung, dan mereka mempunyai kekuatan mekanikal dan kestabilan yang tinggi. Logam biasa digunakan untuk termokopel, di mana ketepatan dan ketahanan lebih penting daripada kecekapan. Beberapa contoh pasangan logam yang digunakan untuk termokopel adalah tembaga-konstantan, besi-konstantan, kromel-alumel, dll.
Semikonduktor: Semikonduktor adalah bahan yang mempunyai kekonduksian elektrik yang sederhana yang boleh dikawal dengan dop atau menerapkan medan elektrik. Mereka mempunyai koefisien Seebeck yang lebih tinggi dan kekonduksian haba yang lebih rendah daripada logam, yang membuat mereka lebih sesuai untuk aplikasi termoelektrik. Walau bagaimanapun, semikonduktor lebih sukar difabrikasi dan disambung, dan mereka mempunyai kekuatan mekanikal dan kestabilan yang lebih rendah daripada logam. Semikonduktor biasa digunakan untuk pembangkit tenaga termoelektrik dan pendingin, di mana kecekapan dan prestasi lebih penting daripada ketepatan dan ketahanan. Beberapa contoh pasangan semikonduktor yang digunakan untuk peranti termoelektrik adalah bismuth telluride-antimony telluride, lead telluride-silicon germanium, dll.
Superkonduktor: Superkonduktor adalah bahan yang mempunyai perintangan elektrik nol di bawah suhu kritikal. Mereka mempunyai koefisien Seebeck yang sangat tinggi dan kekonduksian haba yang sangat rendah, yang membuat mereka ideal untuk aplikasi termoelektrik. Walau bagaimanapun, superkonduktor sangat jarang dan mahal, dan mereka memerlukan suhu yang sangat rendah untuk beroperasi, yang menghadkan penggunaan praktikal mereka. Superkonduktor kebanyakannya digunakan untuk tujuan penyelidikan, seperti mengkaji kesan Seebeck putaran, yang merupakan fenomena yang melibatkan penjanaan voltan putaran dari gradien suhu dalam bahan magnet.
Kesimpulan
Kesan Seebeck adalah fenomena yang menarik yang menukar perbezaan suhu kepada voltan elektrik dan sebaliknya. Ia mempunyai banyak aplikasi dalam sains, kejuruteraan, dan teknologi, seperti termokopel, pembangkit tenaga termoelektrik, pendingin termoelektrik, dan spin caloritronics. Kesan Seebeck bergantung pada bahan yang digunakan, kekonduksian elektrik, kekonduksian haba, dan koefisien Seebeck. Mencari bahan dengan koefisien Seebeck yang tinggi dan stabil adalah cabaran untuk meningkatkan kecekapan dan prestasi peranti termoelektrik.
Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik berharga dikongsi, jika terdapat pelanggaran silakan hubungi untuk dihilangkan.
