ผลต่อซีเบค: วิธีการที่ความต่างของอุณหภูมิสร้างพลังงานไฟฟ้า

ผลเซอบีค เป็นปรากฏการณ์ที่แปลงความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นแรงดันไฟฟ้าและในทางกลับกัน มันถูกตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Thomas Johann Seebeck ผู้ค้นพบมันในปี ค.ศ. 1821 ผลเซอบีคเป็นพื้นฐานของเทอร์โมคัปเปิล,เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริก และแคลอริทรอนิกสปิน

ผลเซอบีคคืออะไร?

ผลเซอบีคถูกกำหนดว่าเป็นการสร้างศักย์ไฟฟ้า (หรือแรงดัน) ระหว่างสองตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำที่เชื่อมต่อเป็นวงจรป้อนกลับและมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดต่อของพวกมัน แรงดันนี้เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิและขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้

ตัวอย่างเช่น เทอร์โมคัปเปิล เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ผลเซอบีคเพื่อวัดอุณหภูมิ มันประกอบด้วยสายไฟสองเส้นที่ทำจากโลหะต่างชนิดกัน (เช่น ทองแดงและเหล็ก) ที่เชื่อมต่อทั้งสองปลาย ปลายหนึ่งถูกนำมาสู่แหล่งความร้อน (เช่น ไฟ) และปลายอื่น ๆ ถูกเก็บไว้ให้เย็น (เช่น ในน้ำแข็ง) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองสร้างแรงดันระหว่างสายไฟ ซึ่งสามารถวัดได้โดยวอลต์มิเตอร์

ผลเซอบีคยังสามารถใช้ในการสร้างกระแสไฟฟ้าจากความร้อนที่ไม่จำเป็น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเทอร์โมคัปเปิลหลายตัวที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมหรือขนาน ด้านร้อนของเทอร์โมคัปเปิลถูกติดตั้งบนแหล่งความร้อน (เช่น เครื่องยนต์หรือเตาเผา) และด้านเย็นถูกติดตั้งบนแหล่งความเย็น (เช่น อากาศหรือน้ำ) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านทั้งสองสร้างแรงดันที่สามารถจ่ายพลังงานให้โหลดไฟฟ้า (เช่น หลอดไฟหรือพัดลม)

ผลเซอบีคทำงานอย่างไร?

ผลเซอบีคสามารถอธิบายได้จากการทำงานของอิเล็กตรอนในตัวนำและสารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบและเคลื่อนที่อย่างอิสระในวัสดุเหล่านี้ เมื่อตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำถูกทำความร้อน อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานจลน์มากขึ้นและมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้พวกมันกระจายจากบริเวณที่ร้อนไปยังบริเวณที่เย็น สร้างกระแสไฟฟ้า.

อย่างไรก็ตาม วัสดุต่าง ๆ มีจำนวนและประเภทของอิเล็กตรอนที่พร้อมสำหรับการนำไฟฟ้าแตกต่างกัน บางวัสดุมีอิเล็กตรอนมากกว่าวัสดุอื่น ๆ และบางวัสดุมีอิเล็กตรอนที่มีการหมุนรอบแกนที่แตกต่างกัน การหมุนรอบแกนเป็นคุณสมบัติควอนตัมของอิเล็กตรอนที่ทำให้พวกมันทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กขนาดเล็ก เมื่อวัสดุสองชนิดที่มีคุณสมบัติของอิเล็กตรอนต่างกันถูกเชื่อมต่อกัน พวกมันจะสร้างพื้นผิวติดต่อที่อิเล็กตรอนสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและการหมุนรอบแกน

ผลเซอบีคเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวติดต่อสองแห่งถูกทำให้มีความแตกต่างของอุณหภูมิ อิเล็กตรอนที่พื้นผิวร้อนได้รับพลังงานและความหมุนรอบแกนจากแหล่งความร้อนและโอนพวกมันไปยังอิเล็กตรอนที่พื้นผิวเย็นผ่านวงจรป้อนกลับ ทำให้เกิดความไม่สมดุลของประจุและความหมุนรอบแกนระหว่างพื้นผิว ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ศักย์ไฟฟ้าขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรป้อนกลับ ในขณะที่สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนเข็มทิศที่วางใกล้มัน

ผลเซอบีคมีการประยุกต์ใช้อย่างไร?

ผลเซอบีคมีการประยุกต์ใช้ในวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และเทคโนโลยีมากมาย บางส่วนคือ:

• เทอร์โมคัปเปิล: นี่คืออุปกรณ์ที่ใช้ผลเซอบีคในการวัดอุณหภูมิด้วยความแม่นยำและไวต่อการตอบสนองสูง พวกมันถูกใช้ในอุตสาหกรรม ห้องทดลอง และครัวเรือนสำหรับวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เช่น การควบคุมเตาอบ การตรวจสอบเครื่องยนต์ การวัดอุณหภูมิร่างกาย ฯลฯ

• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริก: นี่คืออุปกรณ์ที่ใช้ผลเซอบีคในการแปลงความร้อนที่ไม่จำเป็นเป็นกระแสไฟฟ้าสำหรับการใช้งานพิเศษ เช่น การจ่ายพลังงานให้ยานอวกาศ ตัวตรวจวัดระยะไกล ปลั๊กฝังในร่างกาย ฯลฯ

• แคลอริทรอนิกสปิน: นี่คือสาขาของฟิสิกส์ที่ศึกษาว่าความร้อนและความหมุนรอบแกนสัมพันธ์กันอย่างไรในวัสดุแม่เหล็ก ผลเซอบีคมีบทบาทสำคัญในสาขาดังกล่าว เพราะมันสามารถสร้างกระแสสปินและแรงดันจากความลาดเอียงของอุณหภูมิ ซึ่งนำไปสู่อุปกรณ์ใหม่ ๆ สำหรับการประมวลผลและจัดเก็บข้อมูล เช่น แบตเตอรี่สปิน ทรานซิสเตอร์สปิน วาล์วสปิน ฯลฯ

ผลเซอบีคมีข้อดีและข้อจำกัดอย่างไร?

ผลเซอบีคมีข้อดีและข้อจำกัดที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและประสิทธิผลของมัน บางส่วนคือ:

• ข้อดี: ผลเซอบีคเป็นเรื่องง่าย น่าเชื่อถือ และหลากหลาย มันไม่ต้องการชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่หรือแหล่งพลังงานภายนอก มันสามารถทำงานในช่วงอุณหภูมิและวัสดุที่กว้าง มันสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าจากแหล่งความร้อนที่มีระดับต่ำซึ่งมิฉะนั้นอาจถูกทิ้งไป

• ข้อจำกัด: ผลเซอบีคถูกจำกัดโดยการมีอยู่และการเข้ากันได้ของวัสดุ มันต้องการวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าสูงและความนำความร้อนต่ำเพื่อให้ได้แรงดันสูงและลดการสูญเสียความร้อน มันยังต้องการวัสดุที่มีสัมประสิทธิ์เซอบีคต่างกันเพื่อสร้างความแตกต่างของแรงดัน สัมประสิทธิ์เซอบีคเป็นคุณสมบัติที่วัดว่าแรงดันเท่าใดถูกสร้างขึ้นต่อความแตกต่างของอุณหภูมิหน่วยเดียวสำหรับวัสดุที่กำหนด สัมประสิทธิ์เซอบีคขึ้นอยู่กับประเภทและความเข้มข้นของพาหะประจุ ระดับพลังงานของพวกมัน และการสัมผัสกับโครงสร้าง สัมประสิทธิ์เซอบีคสามารถเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ การผสมผสาน และสนามแม่เหล็ก การหาวัสดุที่มีสัมประสิทธิ์เซอบีคสูงและคงที่เป็นความท้าทายสำหรับการประยุกต์ใช้เทอร์โมอิเล็กทริก

วัสดุที่ใช้สำหรับผลเซอบีคมีประเภทใดบ้าง?

วัสดุที่ใช้สำหรับผลเซอบีคสามารถแบ่งออกเป็นสามหมวด: โลหะ สารกึ่งตัวนำ และสาร supperconductor

• โลหะ: โลหะเป็นตัวนำที่ดีทั้งไฟฟ้าและความร้อน พวกมันมีสัมประสิทธิ์เซอบีคต่ำและมีความนำความร้อนสูง ซึ่งทำให้พวกมันไม่มีประสิทธิภาพสำหรับการประยุกต์ใช้เทอร์โมอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม โลหะสามารถผลิตและเชื่อมต่อได้ง่าย และมีความแข็งแรงและมั่นคงสูง โลหะถูกใช้ทั่วไปสำหรับเทอร์โมคัปเปิล ที่ความแม่นยำและความทนทานเป็นสิ่งสำคัญกว่าประสิทธิภาพ ตัวอย่างของคู่โลหะที่ใช้สำหรับเทอร์โมคัปเปิลคือ ทองแดง-คอนสแตนแทน เหล็ก-คอนสแตนแทน โครเมล-อะลูเมล ฯลฯ

• สารกึ่งตัวนำ: สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าระดับกลางที่สามารถควบคุมได้โดยการทำโดปหรือการใช้สนามไฟฟ้า พวกมันมีสัมประสิทธิ์เซอบีคสูงและมีความนำความร้อนต่ำกว่าโลหะ ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้เทอร์โมอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม สารกึ่งตัวนำยากต่อการผลิตและเชื่อมต่อ และมีความแข็งแรงและมั่นคงต่ำกว่าโลหะ สารกึ่งตัวนำถูกใช้ทั่วไปสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครื่องทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริก ที่ประสิทธิภาพและประสิทธิผลเป็นสิ่งสำคัญกว่าความแม่นยำและความทนทาน ตัวอย่างของคู่สารกึ่งตัวนำที่ใช้สำหรับอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกคือ ไบสมัทเทลลูไรด์-แอนทิโมนีเทลลูไรด์ ลีดเทลลูไรด์-ซิลิคอนเจอร์เมเนียม ฯลฯ

• สาร supperconductor: สาร supperconductor เป็นวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต พวกมันมีสัมประสิทธิ์เซอบีคสูงและมีความนำความร้อนต่ำมาก ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้เทอร์โมอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม สาร supperconductor หายากและมีราคาแพง และต้องการอุณหภูมิต่ำมากเพื่อทำงาน ซึ่งจำกัดการใช้งานจริง สาร supperconductor ใช้ทั่วไปสำหรับวัตถุประสงค์ในการวิจัย เช่น การศึกษา

  ทิป