Η Επίδραση Seebeck

Η επίδραση Seebeck είναι ένα φαινόμενο στο οποίο παράγεται ισχύς μεταξύ των άκρων ενός διαγωνίστη όταν η θερμοκρασία σε ένα άκρο είναι διαφορετική από τη θερμοκρασία στο άλλο άκρο. Ονομάστηκε έτσι μετά τον Γερμανό φυσικό Thomas Johann Seebeck, ο οποίος την περιέγραψε για πρώτη φορά στις αρχές του 19ου αιώνα.

Τι είναι η επίδραση Seebeck?

Η επίδραση Seebeck βασίζεται στο γεγονός ότι η κίνηση των φορέων φορτίου, όπως τα ηλεκτρόνια, σε έναν διαγωνίστη παράγει θερμότητα. Όταν εφαρμόζεται μια διαφορά θερμοκρασίας σε έναν διαγωνίστη, οι φορείς φορτίου στο ζεστό άκρο έχουν περισσότερη κινητική ενέργεια από εκείνους στο κρύο άκρο, οδηγώντας σε μια συνολική ροή φορτίου από το ζεστό άκρο προς το κρύο. Αυτή η ροή φορτίου δημιουργεί ισχύ στον διαγωνίστη, η οποία μπορεί να μετρηθεί με τη χρήση ενός βολτμέτρου.

Η μέγεθος της ισχύος που παράγεται από την επίδραση Seebeck είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας στον διαγωνίστη και τις ιδιότητες του διαγωνίστη. Διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικούς συντελεστές Seebeck, οι οποίοι περιγράφουν την ισχύ που παράγεται ανά μονάδα διαφοράς θερμοκρασίας.

Η επίδραση Seebeck είναι η βάση λειτουργίας των θερμοηλεκτρικών γεννήτριων, τα οποία είναι συσκευές που μετατρέπουν θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια. Λειτουργούν χρησιμοποιώντας την επίδραση Seebeck για να παράγουν ισχύ σε έναν διαγωνίστη, και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας αυτή την ισχύ για να οδηγήσουν μια ροή στροφής μέσω ενός εξωτερικού φορτίου, όπως ένα φωτιστικό σώμα ή μια μπαταρία.

Ο συντελεστής Seebeck:

Ο συντελεστής Seebeck είναι η ισχύς που παράγεται μεταξύ δύο σημείων ενός διαγωνίστη όταν διατηρείται μια διαφορά θερμοκρασίας 1o Kelvin μεταξύ τους. Σε δωματιακή θερμοκρασία, μια τέτοια συνδυασμός ασημένιου και constantan έχει συντελεστή Seebeck 41 μικροβολτιές ανά Kelvin.

S = ΔV/ΔT = (Vcold − Vhot)/(Thot-Tcold)

Όπου,

• ΔV σημαίνει τη διαφορά ισχύος που παράγεται με την εισαγωγή μικρής αλλαγής θερμοκρασίας (ΔT) στο υλικό.

• ΔV ορίζεται ως η ισχύς στο κρύο άκρο μείον η ισχύς στο ζεστό άκρο.

Αν η διαφορά μεταξύ Vcold και Vhot είναι αρνητική, ο συντελεστής Seebeck είναι αρνητικός.

Εάν θεωρήσουμε ότι η ΔT είναι μικρή.

Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να ορίσουμε τον συντελεστή Seebeck ως την πρώτη παράγωγο της παραγόμενης ισχύος σε σχέση με τη θερμοκρασία:

S = d V /d T

Η επίδραση Spin Seebeck:

Ωστόσο, ανακαλύφθηκε το 2008 ότι όταν εφαρμόζεται θερμότητα σε ένα μαγνητικό μέταλλο, τα ηλεκτρόνια του αναδιατάσσονται σύμφωνα με την περιστροφή τους. Ωστόσο, αυτή η αναδιάταξη δεν ήταν υπεύθυνη για την παραγωγή θερμότητας. Αυτό το φαινόμενο είναι το ίδιο με την επίδραση Spin Seebeck. Αυτή η επίδραση χρησιμοποιήθηκε στη δημιουργία γρήγορων και αποτελεσματικών μικρών εναλλακτήρων.

Γιατί αυξάνεται ο συντελεστής Seebeck με την αύξηση της θερμοκρασίας?

Η ηλεκτρική αγωγικότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, δείχνοντας χαρακτηριστικά υλικών ημιαγωγών. Ο υψηλός συντελεστής Seebeck και η χαμηλή ηλεκτρική αγωγικότητα του CuAlO2 είναι λόγω της υψηλής αποτελεσματικής μάζας των φορέων φορτίου.

Ποιος αισθητήρας ανιχνεύει την επίδραση Seebeck?

Το θερμοστατικό ζευγάρι είναι ένα ηλεκτρικό συστηματικό σύνολο που αποτελείται από δύο διαφορετικά μέταλλα που ενώνονται μαζί. Χρησιμοποιείται ως αισθητήρας θερμοκρασίας. Λειτουργεί με βάση την αρχή της επίδρασης Seebeck.

Εφαρμογές της επίδρασης Seebeck:

• Οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες έχουν πολλές δυνητικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ενέργειας για απομακρυσμένες ή εκτός δικτύου τοποθεσίες, της ανάκτησης θερμότητας απορριμμάτων και της μέτρησης θερμοκρασίας. Είναι ειδικά χρήσιμοι σε καταστάσεις όπου άλλες μορφές παραγωγής ενέργειας δεν είναι πρακτικές, όπως σε διαστημόπλοια ή σε απομακρυσμένες περιοχές όπου η πρόσβαση σε καύσιμα είναι περιορισμένη.

• Η επίδραση Seebeck χρησιμοποιείται συχνά σε θερμοστατικά ζευγάρια για τη μέτρηση μεταβολών θερμοκρασίας ή για την ενεργοποίηση ηλεκτρικών εναλλακτήρων που ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν το σύστημα. Τα συνδυασμένα μέταλλα που χρησιμοποιούνται συχνά σε θερμοστατικά ζευγάρια περιλαμβάνουν constantan / ασήμι, constantan / σίδηρο, constantan / χρώμιο, και constantan.

• Η επίδραση Seebeck χρησιμοποιείται σε θερμοηλεκτρικούς γεννήτριες, οι οποίοι λειτουργούν ως θερμοηλεκτρικά μηχανήματα.

• Χρησιμοποιούνται επίσης σε κάποιες ηλεκτροπαραγωγικές εγκαταστάσεις για τη μετατροπή θερμότητας απορριμμάτων σε επιπλέον ενέργεια.

• Εκτός από τη χρήση σε θερμοηλεκτρικούς γεννήτριες, η επίδραση Seebeck και σχετικά φαινόμενα, όπως η επίδραση Peltier και η επίδραση Thomson, έχουν πολλές άλλες εφαρμογές σε πεδία όπως η θερμομετρία και η θερμοφυσική. Χρησιμοποιούνται επίσης στη μελέτη θερμοηλεκτρικών υλικών και συσκευών.

Περιορισμοί της επίδρασης Seebeck:

Ένα μειονέκτημα των θερμοηλεκτρικών γεννητριών είναι ότι δεν είναι πολύ αποδοτικές. Η αποδοτικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννήτρια μετράται συνήθως με την τιμή του μέτρου αξιολόγησης, η οποία είναι ένα μέτρο της δυνατότητας της συσκευής να μ