Ефект Зеебека: як різниця температур генерує електричну енергію

Ефект Зебека - це явище, яке перетворює різницю температур на електричну напругу і навпаки. Названо на честь Томаса Йоганна Зебека, німецького фізика, який відкрив його у 1821 році. Ефект Зебека є основою для термопар, термоелектричних генераторів та спін-калоритроніки.

Що таке ефект Зебека?

Ефект Зебека визначається як генерація електричного потенціалу (або напруги) між двома різними провідниками або напівпровідниками, з'єднаними в коло, і мають різницю температур між своїми з'єднаннями. Напруга пропорційна різниці температур і залежить від матеріалів, які використовуються.

Наприклад, термопара - це пристрій, який використовує ефект Зебека для вимірювання температури. Він складається з двох дротів, виготовлених з різних металів (наприклад, мідь і залізо), які з'єднуються на обох кінцях. Один кінець відкритий для гарячого джерела (наприклад, плам'я), а інший кінець тримається холодним (наприклад, у льодяній воді). Різниця температур між кінцями створює напругу по дротах, яку можна виміряти вольтметром.

Ефект Зебека також може бути використаний для генерації електроенергії з відходів тепла. Термоелектричний генератор - це пристрій, який складається з багатьох термопар, з'єднаних послідовно або паралельно. Гаряча сторона термопар прикріплена до джерела тепла (наприклад, двигуна або печі), а холодна сторона прикріплена до теплообмінника (наприклад, повітря або вода). Різниця температур між сторонами створює напругу, яка може живити електричне навантаження (наприклад, лампу або вентилятор).

Як працює ефект Зебека?

Ефект Зебека можна пояснити поведінкою електронів у провідниках і напівпровідниках. Електрони - це негативно заряджені частинки, які вільно рухаються в цих матеріалах. Коли провідник або напівпровідник нагрівається, його електрони набувають більше кінетичної енергії і схиляються до швидшого руху. Це призводить до того, що вони дифундується з гарячого регіону в холодний, створюючи електричний струм.

Однак, різні матеріали мають різні кількості і типи електронів, доступних для провідності. Деякі матеріали мають більше електронів, ніж інші, і деякі мають електрони з різними орієнтаціями спіну. Спін - це квантове властивість електронів, яка робить їх подібними до малих магнітів. Коли два матеріали з різними характеристиками електронів з'єднуються, вони формують інтерфейс, де електрони можуть обмінюватися енергією і спіном.

Ефект Зебека відбувається, коли два таких інтерфейси піддаються різниці температур. Електрони на гарячому інтерфейсі набувають більше енергії і спіну від джерела тепла і передають їх електронам на холодному інтерфейсі через петлю. Це створює дисбаланс заряду і спіну між інтерфейсами, що призводить до електричного потенціалу і магнітного поля. Електричний потенціал запускає електричний струм через петлю, тоді як магнітне поле відхиляє стрілку компаса, розташовану поблизу.

Які застосування має ефект Зебека?

Ефект Зебека має багато застосувань у науці, інженерії та технологіях. Деякі з них:

• Термопари: Це пристрої, які використовують ефект Зебека для вимірювання температури з високою точністю та чутливістю. Вони широко використовуються в промисловості, лабораторіях та господарствах для різних цілей, таких як управління пічами, моніторинг двигунів, вимірювання температури тіла тощо.

• Термоелектричні генератори: Це пристрої, які використовують ефект Зебека для перетворення відходів тепла на електроенергію для спеціальних застосувань, таких як живлення космічних апаратів, віддалених датчиків, медичних імплантов тощо.

• Спін-калоритроніка: Це галузь фізики, яка вивчає, як теплота і спін взаємодіють в магнітних матеріалах. Ефект Зебека грає важливу роль в цій галузі, оскільки він може створювати потоки спіну і напруги з градієнтів температури. Це може призвести до нових пристроїв для обробки та зберігання інформації, таких як спінові батареї, спінові транзистори, спінові клапани тощо.

Які переваги та обмеження має ефект Зебека?

Ефект Зебека має деякі переваги та обмеження, які впливають на його продуктивність та ефективність. Деякі з них:

• Переваги: Ефект Зебека простий, надійний та універсальний. Він не потребує жодних рухомих частин або зовнішніх джерел живлення. Він може працювати в широкому діапазоні температур і матеріалів. Він може генерувати електроенергію з низькорівневих джерел тепла, які інакше були б втрачені.

• Обмеження: Ефект Зебека обмежений доступністю та сумісністю матеріалів. Для досягнення високої напруги та низької втрати тепла потрібні матеріали з високою електричною провідністю та низькою тепловою провідністю. Також потрібні матеріали з різними коефіцієнтами Зебека, щоб створити різницю напруг. Коефіцієнт Зебека - це властивість, яка вимірює, скільки напруги генерується на одиницю різниці температур для заданого матеріалу. Коефіцієнт Зебека залежить від типу та концентрації носіїв заряду, їх енергетичних рівнів та взаємодії з решіткою. Коефіцієнт Зебека може змінюватися залежно від температури, складу та магнітного поля. Знаходження матеріалів з високими та стабільними коефіцієнтами Зебека є проблемою для термоелектричних застосувань.

Які види матеріалів використовуються для ефекту Зебека?

Матеріали, які використовуються для ефекту Зебека, можна поділити на три категорії: метали, напівпровідники та надпровідники.

• Метали: Метали - це хороші провідники електрики та тепла. Вони мають низькі коефіцієнти Зебека та високу теплову провідність, що робить їх неефективними для термоелектричних застосувань. Однак, метали легко виготовляються та з'єднуються, і вони мають високу механічну міцність та стабільність. Метали часто використовуються для термопар, де точність та довговічність важливіші, ніж ефективність. Наприклад, пари металів, використовувані для термопар, - це мідь-константан, залізо-константан, хромель-алумель тощо.

• Напівпровідники: Напівпровідники - це матеріали, які мають середню електричну провідність, яку можна контролювати допінгом або застосуванням електричного поля. Вони мають вищі коефіцієнти Зебека та нижчу теплову провідність, ніж