Učinek Seebecka: kako razlike temperature generirajo elektriko

Electrical4u

Polje: Osnovna elektrotehnika

China

Seebeck-efekt je pojav, ki pretvarja temperaturne razlike v električno napetost in obratno. Imenuje se po nemškem fiziku Thomasu Johannu Seebecku, ki ga je odkril leta 1821. Seebeck-efekt je osnova termoparov, termoelektričnih generatorjev in spin kaloritronike.

Kaj je Seebeck-efekt?

Seebeck-efekt je definiran kot ustvarjanje električnega potenciala (ali napetosti) med dvema različnima vodili ali polprevodniki, ki so povezani v zanko in imata temperaturno razliko med svojima priključkoma. Napetost je sorazmerna s temperaturno razliko in odvisna je od materialov, ki so uporabljeni.

Na primer, termopar je naprava, ki uporablja Seebeck-efekt za merjenje temperature. Sestavljen je iz dveh žic, narejenih iz različnih kovin (na primer bakra in železa), ki sta združeni na obema koncama. Eden konec je izpostavljen vročemu viru (na primer plameni) in drug konec pa je hladen (na primer v ledu). Temperaturna razlika med konci ustvari napetost med žicami, ki jo lahko merimo z voltmometrom.

Seebeck-efekt se lahko uporablja tudi za generiranje elektrike iz odpadne toplote. Termoelektrični generator je naprava, sestavljena iz mnogih termoparov, povezanih zaporedno ali vzporedno. Vroča stran termoparov je pripegnjena na vroči vir (na primer motor ali pečica) in hladna stran pa na hladilnik (na primer zrak ali voda). Temperaturna razlika med stranema ustvari napetost, ki lahko napaja električni obremenek (na primer svetilko ali ventilator).

Kako deluje Seebeck-efekt?

Seebeck-efekt se lahko razloži z vedenjem elektronov v vodilih in polprevodnikih. Elektroni so negativno nabiti delci, ki se prosto gibljejo v teh materialih. Ko se vodilo ali polprevodnik segreje, elektroni pridobijo več kinetične energije in se gibljejo hitreje. To povzroči, da se elektromi difundirajo iz vročega območja v hladno območje, kar ustvari električni tok.

Vendar imajo različni materiali različno število in vrste elektronov, ki so na voljo za prevod. Nekateri materiali imajo več elektronov od drugih, in nekateri imajo elektrone z različnimi orientacijami spina. Spin je kvantna lastnost elektronov, ki jih dela podobne majhnim magnetom. Ko sta dva materiala z različnimi lastnostmi elektronov združena, tvorita mejo, kjer se elektroni lahko izmenjujejo energijo in spin.

Seebeck-efekt nastane, ko sta dve takšni meji izpostavljeni temperaturni razliki. Elektroni na vroči meji pridobijo več energije in spina od vročega vira in ju prenašajo elektronom na hladni meji skozi zanko. To ustvari neravnovesje naboja in spina med mejama, kar rezultira v električnem potencialu in magnetnem polju. Električni potencial poganja električni tok skozi zanko, medtem ko magnetno polje odvija iglico kompas, postavljeno blizu nje.

Kateri so uporabni vidiki Seebeck-efekta?

Seebeck-efekt ima veliko uporab v znanosti, tehniki in tehnologiji. Nekateri od njih so:

Termopari: To so naprave, ki uporabljajo Seebeck-efekt za meritve temperature z visoko natančnostjo in občutljivostjo. Široko se uporabljajo v industriji, laboratorijih in domačih okoljih za različne namene, kot so nadzor peči, spremljanje motorjev, merjenje telesne temperature itd.
Termoelektrični generatorji: To so naprave, ki uporabljajo Seebeck-efekt za pretvorbo odpadne toplote v električno energijo za posebne uporabe, kot so oprema vesoljskih ladij, oddaljeni senzorji, medicinski implantati itd.
Spin kaloritronika: To je vejica fizike, ki proučuje, kako se toplota in spin medsebojno vplivajo v magnetnih materialih. Seebeck-efekt igra pomembno vlogo na tem področju, saj lahko ustvari spin toke in napetosti iz temperaturnih gradientov. To lahko vodi do novih naprav za obdelavo in shranjevanje informacij, kot so spin baterije, spin tranzistorji, spin ventili itd.

Kateri so prednosti in omejitve Seebeck-efekta?

Seebeck-efekt ima nekatere prednosti in omejitve, ki vplivajo na njegovo delovanje in učinkovitost. Nekateri od njih so:

Prednosti: Seebeck-efekt je preprost, zanesljiv in prilagodljiv. Ne zahteva nobenih premičnih delov ali zunanje napajalskega vira. Lahko deluje v širokem temperaturnem obsegu in materialih. Lahko generira električno energijo iz nizokakovostnih virov toplote, ki bi jih sicer izgubili.
Omejitve: Seebeck-efekt je omejen z dostopnostjo in združljivostjo materialov. Za dosego visoke napetosti in nizek toplinski izgub zahteva materiali s visoko električno prevodnostjo in nizko toplinsko prevodnostjo. Prav tako zahteva materiali z različnimi Seebeckovi koeficienti, da ustvari napetostno razliko. Seebeckov koeficient je lastnost, ki meri, koliko napetosti je generirano na enoto temperaturne razlike za dani material. Seebeckov koeficient je odvisen od vrste in koncentracije nosilcev naboja, njihovih energetskih ravni in interakcij z mrežo. Seebeckov koeficient se lahko spreminja z temperaturo, sestavo in magnetnim poljem. Iskanje materialov s visokimi in stabilnimi Seebeckovimi koeficienti je izziv za termoelektrične uporabe.

Kateri so tipi materialov, uporabljenih za Seebeck-efekt?

Materiali, uporabljeni za Seebeck-efekt, se lahko razvrščajo v tri kategorije: kovini, polprevodniki in superprovodniki.

Kovini: Kovini so dobri prevodniki za elektriko in toploto. Imajo nizke Seebeckove koeficiente in visoko toplinsko prevodnost, kar jih čini neučinkovitimi za termoelektrične uporabe. Vendar so kovini lahkoti izdelani in povezani, in imajo visoko mehansko čvrstoč in stabilnost. Kovini se pogosto uporabljajo za termopare, kjer je natančnost in trdnost pomembnejša od učinkovitosti. Nekateri primeri parov kovin, uporabljenih za termopare, so bakar-konstantan, železo-konstantan, kromel-alumel itd.
Polprevodniki: Polprevodniki so materiali, ki imajo srednjo električno prevodnost, ki jo je mogoče kontrolirati z dopiranjem ali uporabo električnega polja. Imajo višje Seebeckove koeficiente in nižjo toplinsko prevodnost od kovin, kar jih čini bolj primernimi za termoelektrične uporabe. Vendar so polprevodniki težje izdelati in povezati, in imajo manjšo mehansko čvrstoč in stabilnost od kovin. Polprevodniki se pogosto uporabljajo za termoelektrične generatorje in hladilnike, kjer je učinkovitost in zmogljivost pomembnejša od natančnosti in trdnosti. Nekateri primeri parov polprevodnikov, uporabljenih za termoelektrične naprave, so bismut tellurid-antimonij tellurid, olov tellurid-silicij germanij itd.
Superprovodniki: Superprovodniki so materiali, ki imajo ničelno električno upornost pod kritično temperaturo. Imajo zelo visoke Seebeckove koeficiente in zelo nizko toplinsko prevodnost, kar jih čini idealnimi za termoelektrične uporabe. Vendar so superprovodniki zelo redki in dragi, in za delovanje zahtevajo zelo nizke temperature, kar omejuje njihovo praktično uporabo. Superprovodniki se glavno uporabljajo za raziskovalne namene, kot je proučevanje spin Seebeck-efekta, ki je pojav, ki vključuje generiranje spin napetosti iz temperaturnega gradienta v magnetnem materialu.