Efekat Seebeka: Kako razlike temperature generišu električnu energiju

Seebeck efekat je fenomen koji pretvara razlike temperature u električnu napon i obrnuto. Nazvan je po njemačkom fizičaru Thomasu Johannu Seebecku, koji ga je otkrio 1821. godine. Seebeck efekat je osnova termocupla, termoelektričnih generatora i spin kaloritronike.

Šta je Seebeck efekat?

Seebeck efekat se definiše kao generisanje električnog potencijala (ili napona) između dva različita provodnika ili poluprovodnika koji su spojeni u petlju i imaju razliku temperature na svojim spojevima. Napon je proporcionalan razlici temperature i zavisi od materijala koji se koriste.

Na primer, termocupla je uređaj koji koristi Seebeck efekat za merenje temperature. Sastoji se od dva žica izrađena od različitih metala (na primjer bakar i željezo) koje su spojene na oba kraja. Jedan kraj je izložen vrućem izvoru (na primjer plamen) a drugi kraj se drži hladno (na primjer u ledenoj vodi). Razlika temperature između krajeva stvara napon između žica, koji se može meriti voltmometrom.

Seebeck efekat se takođe može koristiti za generisanje struje od otpadne toplote. Termoelektrični generator je uređaj koji sastoji se od mnogo termocupla povezanih serijalno ili paralelno. Vrući deo termocupla je priključen na izvor toplote (na primjer motor ili peć) a hladni deo je priključen na toplotni sink (na primjer vazduh ili voda). Razlika temperature između strana proizvodi napon koji može snabdevati električnim opterećenjem (na primjer svetiljkom ili ventilatorom).

Kako funkcioniše Seebeck efekat?

Seebeck efekat se može objasniti ponašanjem elektrona u provodnicima i poluprovodnicima. Elektroni su negativno naelektrisanje čestice koje se slobodno kreću u ovim materijalima. Kada se provodnik ili poluprovodnik zagrije, njegovi elektroni dobijaju više kinetičke energije i teže da se kreću brže. Ovo dovodi do difuzije elektrona iz vruće regione u hladnu, stvarajući električnu struju.

Međutim, različiti materijali imaju različit broj i tipove elektrona dostupnih za kondukciju. Neke materije imaju više elektrona od drugih, a neke imaju elektrone sa različitim orijentacijama spina. Spin je kvantna osobina elektrona koja ih pravi da se ponašaju kao sitne magneti. Kada su dva materijala sa različitim karakteristikama elektrona spojena zajedno, formiraju interfejs gde elektroni mogu menjati energiju i spin.

Seebeck efekat se javlja kada dva takva interfejsa budu izloženi razlici temperature. Elektroni na vrućem interfejsu dobijaju više energije i spina od izvora toplote i prenose ih elektronima na hladnom interfejsu kroz petlju. Ovo stvara neravnotežu nabojnosti i spina između interfejsa, rezultujući električnim potencijalom i