Het Seebeck-effect: Hoe temperatuurverschillen elektriciteit genereren
De Seebeck-effect is een fenomeen dat temperatuurverschillen omzet in elektrische spanning en vice versa. Het is genoemd naar de Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck, die het in 1821 ontdekte. De Seebeck-effect vormt de basis van thermokoppels, thermoelektrische generatoren en spin-caloritronica.
Wat is de Seebeck-effect?
De Seebeck-effect wordt gedefinieerd als de generatie van een elektrisch potentiaalverschil (of spanning) over twee verschillende geleiders of halfgeleiders die in een lus zijn verbonden en waarbij een temperatuurverschil tussen hun verbindingen bestaat. De spanning is evenredig met het temperatuurverschil en hangt af van de gebruikte materialen.
Bijvoorbeeld, een thermokoppel is een apparaat dat de Seebeck-effect gebruikt om temperatuur te meten. Het bestaat uit twee draden van verschillend metaal (zoals koper en ijzer) die aan beide einden zijn verbonden. Een eind wordt blootgesteld aan een hete bron (zoals een vlam) en het andere eind wordt koud gehouden (zoals in ijs water). Het temperatuurverschil tussen de einden creëert een spanning over de draden, die kan worden gemeten door een voltmeter.
De Seebeck-effect kan ook worden gebruikt om elektriciteit te genereren uit afvalwarmte. Een thermoelektrische generator is een apparaat dat bestaat uit veel thermokoppels die in serie of parallel zijn verbonden. De hete kant van de thermokoppels is bevestigd aan een warmtebron (zoals een motor of een oven) en de koude kant is bevestigd aan een warmteafvoer (zoals lucht of water). Het temperatuurverschil tussen de kanten produceert een spanning die een elektrische belasting (zoals een lamp of een ventilator) kan voeden.
Hoe werkt de Seebeck-effect?
De Seebeck-effect kan worden verklaard door het gedrag van elektronen in geleiders en halfgeleiders. Elektronen zijn negatief geladen deeltjes die vrijelijk bewegen in deze materialen. Wanneer een geleider of halfgeleider wordt verhit, krijgen de elektronen meer kinetische energie en neigen ze tot snellere beweging. Dit zorgt ervoor dat ze zich verspreiden van de hete regio naar de koude regio, waardoor een elektrische stroom ontstaat.
Echter, verschillende materialen hebben verschillende hoeveelheden en types elektronen beschikbaar voor geleiding. Sommige materialen hebben meer elektronen dan anderen, en sommige hebben elektronen met verschillende spinaanwijzingen. Spin is een kwantumeigenschap van elektronen die hen doet functioneren als kleine magneten. Wanneer twee materialen met verschillende elektroneneigenschappen samen worden gevoegd, vormen ze een interface waar elektronen energie en spin kunnen uitwisselen.
De Seebeck-effect treedt op wanneer twee dergelijke interfaces worden blootgesteld aan een temperatuurverschil. De elektronen aan de hete interface krijgen meer energie en spin van de warmtebron en geven deze over aan de elektronen aan de koude interface via de lus. Dit veroorzaakt een onbalans van lading en spin tussen de interfaces, wat resulteert in een elektrisch potentiaalverschil en een magnetisch veld. Het elektrische potentiaalverschil drijft een elektrische stroom door de lus, terwijl het magnetische veld een kompasnaald die erbij is geplaatst, afbuigt.
Welke toepassingen heeft de Seebeck-effect?
De Seebeck-effect heeft vele toepassingen in wetenschap, techniek en technologie. Enkele daarvan zijn:
Thermokoppels: Deze apparaten gebruiken de Seebeck-effect om temperatuur met hoge nauwkeurigheid en gevoeligheid te meten. Ze worden breed toegepast in industrieën, laboratoria en huishoudens voor verschillende doeleinden, zoals het regelen van ovens, het monitoren van motoren, het meten van lichaamstemperatuur, enz.
Thermoelektrische generatoren: Deze apparaten gebruiken de Seebeck-effect om afvalwarmte om te zetten in elektriciteit voor speciale toepassingen, zoals het voeden van ruimtevaartuigen, externe sensoren, medische implantaat, enz.
Spin-caloritronica: Dit is een tak van de natuurkunde die onderzoekt hoe warmte en spin in magnetische materialen interageren. De Seebeck-effect speelt hier een belangrijke rol, omdat het spin-stromen en -spanningen kan creëren uit temperatuurgradiënten. Dit kan leiden tot nieuwe apparaten voor informatieverwerking en -opslag, zoals spin-batterijen, spin-transistors, spin-valves, enz.
Welke voordelen en beperkingen heeft de Seebeck-effect?
De Seebeck-effect heeft enkele voordelen en beperkingen die de prestaties en efficiëntie beïnvloeden. Enkele daarvan zijn:
Voordelen: De Seebeck-effect is eenvoudig, betrouwbaar en flexibel. Het vereist geen bewegende delen of externe energiebronnen. Het kan werken over een breed scala aan temperaturen en materialen. Het kan elektriciteit genereren uit laagwaardige warmtebronnen die anders zouden worden verspild.
Beperkingen: De Seebeck-effect wordt beperkt door de beschikbaarheid en compatibiliteit van materialen. Het vereist materialen met hoge elektrische geleidbaarheid en lage thermische geleidbaarheid om hoge spanning en lage warmteverlies te bereiken. Het vereist ook materialen met verschillende Seebeck-coëfficiënten om een spanningsverschil te creëren. De Seebeck-coëfficiënt is een eigenschap die meet hoeveel spanning per eenheid temperatuurverschil wordt gegenereerd voor een bepaald materiaal. De Seebeck-coëfficiënt hangt af van het type en de concentratie van draaggolven, hun energieniveaus en hun interacties met het rooster. De Seebeck-coëfficiënt kan variëren met temperatuur, samenstelling en magnetisch veld. Het vinden van materialen met hoge en stabiele Seebeck-coëfficiënten is een uitdaging voor thermoelektrische toepassingen.
Welke soorten materialen worden gebruikt voor de Seebeck-effect?
De materialen die worden gebruikt voor de Seebeck-effect kunnen worden ingedeeld in drie categorieën: metalen, halfgeleiders en supergeleiders.
Metalen: Metalen zijn goede geleiders van zowel elektriciteit als warmte. Ze hebben lage Seebeck-coëfficiënten en hoge thermische geleidbaarheid, wat ze inefficiënt maakt voor thermoelektrische toepassingen. Echter, metalen zijn eenvoudig te fabriceren en te verbinden, en ze hebben hoge mechanische sterkte en stabiliteit. Metalen worden vaak gebruikt voor thermokoppels, waar nauwkeurigheid en duurzaamheid belangrijker zijn dan efficiëntie. Enkele voorbeelden van metaalparen die worden gebruikt voor thermokoppels zijn koper-constantan, ijzer-constantan, chromel-alumel, enz.
Halfgeleiders: Halfgeleiders zijn materialen die een intermediaire elektrische geleidbaarheid hebben die kan worden beheerst door doppen of het toepassen van een elektrisch veld. Ze hebben hogere Seebeck-coëfficiënten en lagere thermische geleidbaarheid dan metalen, wat ze geschikter maakt voor thermoelektrische toepassingen. Echter, halfgeleiders zijn moeilijker te fabriceren en te verbinden, en ze hebben een lagere mechanische sterkte en stabiliteit dan metalen. Halfgeleiders worden vaak gebruikt voor thermoelektrische generatoren en koelers, waar efficiëntie en prestaties belangrijker zijn dan nauwkeurigheid en duurzaamheid. Enkele voorbeelden van halfgeleiderparen die worden gebruikt voor thermoelektrische apparaten zijn bismut-telluur-antimoon-telluur, lood-telluur-silicium-germanium, enz.
Supergeleiders: Supergeleiders zijn materialen die nul elektrische weerstand hebben onder een kritische temperatuur. Ze hebben zeer hoge Seebeck-coëfficiënten en zeer lage thermische geleidbaarheid, wat ze ideaal maakt voor thermoelektrische toepassingen. Echter, supergeleiders zijn zeer zeldzaam en duur, en ze vereisen zeer lage temperaturen om te werken, wat hun praktische toepassing beperkt. Supergeleiders worden voornamelijk gebruikt voor onderzoek, zoals het bestuderen van de spin-Seebeck-effect, wat een fenomeen is dat betrekking heeft op de generatie van een spin-spanning van een temperatuurgradiënt in een magnetisch materiaal.
Conclusie
De Seebeck-effect is een fascinerend fenomeen dat temperatuurverschillen omzet in elektrische spanning en vice versa. Het heeft vele toepassingen in wetenschap, techniek en technologie, zoals thermokoppels, thermoelektrische generatoren, thermoelektrische koelers en spin
