Het Seebeck-effect

Het Seebeck-effect is een fenomeen waarbij een spanning wordt opgewekt tussen de einden van een geleider wanneer de temperatuur aan één einde verschilt van de temperatuur aan het andere einde. Het is genoemd naar de Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck, die het in het begin van de 19e eeuw voor het eerst beschreef.

Wat is het Seebeck-effect?

Het Seebeck-effect is gebaseerd op het feit dat de beweging van ladingdragers, zoals elektronen, in een geleider warmte genereert. Wanneer er een temperatuurverschil wordt aangebracht over een geleider, hebben de ladingdragers aan het warme einde meer kinetische energie dan die aan het koude einde, wat leidt tot een netto stroom van lading van het warme einde naar het koude einde. Deze stroom van lading creëert een spanning over de geleider, die kan worden gemeten met behulp van een spanningsmeter.

De grootte van de spanning die door het Seebeck-effect wordt opgewekt, is evenredig met het temperatuurverschil over de geleider en de eigenschappen van de geleider zelf. Verschillende materialen hebben verschillende Seebeck-coëfficiënten, die de opgewekte spanning per eenheid temperatuurverschil beschrijven.

Het Seebeck-effect vormt de basis voor de werking van thermoelektrische generatoren, die apparaten zijn die warmte omzetten in elektriciteit. Ze werken door gebruik te maken van het Seebeck-effect om een spanning op te wekken over een geleider, en vervolgens deze spanning te gebruiken om een stroom door een externe belasting, zoals een lamp of een batterij, te drijven.

De Seebeck-coëfficiënt:

De Seebeck-coëfficiënt is de spanning die tussen twee punten op een geleider wordt geproduceerd wanneer er een temperatuurverschil van 1 Kelvin wordt onderhouden tussen hen. Bij kamertemperatuur heeft een combinatie van koper en constantan een Seebeck-coëfficiënt van 41 microvolt per Kelvin.

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

Waar,

• ΔV geeft het spanningverschil aan dat wordt verkregen door een kleine temperatuurverandering (ΔT) langs het materiaal in te voeren.

• ΔV wordt gedefinieerd als de spanning aan de koude zijde min de spanning aan de warme zijde.

Als het verschil tussen Vcold en Vhot negatief is, is de Seebeck-coëfficiënt negatief.

Als ΔT als klein wordt beschouwd.

Daarom kunnen we de Seebeck-coëfficiënt definiëren als de eerste afgeleide van de geproduceerde spanning ten opzichte van de temperatuur:

S = d V /d T

Het spin-Seebeck-effect:

Echter, in 2008 werd ontdekt dat wanneer warmte wordt toegepast op een magnetisch metaal, de elektronen zich herorden volgens hun spin. Deze herordeningsverschijnselen waren echter niet verantwoordelijk voor de generatie van warmte. Dit fenomeen is hetzelfde als het spin-Seebeck-effect. Dit effect werd gebruikt bij de ontwikkeling van snelle en efficiënte microschakelaars.

Waarom stijgt de Seebeck-coëfficiënt met toenemende temperatuur?

De elektrische geleidbaarheid neemt toe met toenemende temperatuur, waardoor semiconductoreigenschappen worden getoond. De hoge Seebeck-coëfficiënt en lage elektrische geleidbaarheid van CuAlO2 zijn te wijten aan het hoge effectieve massa van de ladinggaten.

Welke sensor detecteert het Seebeck-effect?

De thermokoppel is een elektrisch apparaat dat bestaat uit twee verschillende metalen verbindingen die met elkaar zijn verbonden. Het wordt gebruikt als temperatuursensor. Het werkt op basis van het principe van het Seebeck-effect.

Toepassingen van het Seebeck-effect:

• Thermoelektrische generatoren hebben een aantal potentiële toepassingen, waaronder stroomopwekking voor afgelegen of off-grid locaties, afvalwarmteherwinning en temperatuurmeting. Ze zijn bijzonder nuttig in situaties waarin andere vormen van stroomopwekking niet praktisch zijn, zoals in ruimteschepen of in afgelegen gebieden waar toegang tot brandstof beperkt is.

• Dit Seebeck-effect wordt vaak gebruikt in thermokoppels om temperatuurverschillen te meten of om elektrische schakelaars te activeren die het systeem aanzetten of uitzetten. Vaak gebruikte combinaties van thermokoppelmetalen zijn constantan/koper, constantan/ijzer, constantan/chroom en constantan.

• Het Seebeck-effect wordt gebruikt in thermoelektrische generatoren, die dienen als warmtemotoren.

• Ze worden ook gebruikt in sommige energiecentrales om afvalwarmte om te zetten in extra energie.

• Naast hun gebruik in thermoelektrische generatoren hebben het Seebeck-effect en verwante verschijnselen, zoals het Peltier-effect en het Thomson-effect, een aantal andere toepassingen in vakgebieden zoals thermometrie en thermofysica. Ze worden ook gebruikt in het onderzoek naar thermoelektrische materialen en apparaten.

Beperkingen van het Seebeck-effect:

Een nadeel van thermoelektrische generatoren is dat ze niet erg efficiënt zijn. De efficiëntie van een thermoelektrische generator wordt meestal gemeten aan de hand van de figuur van verdienste, die een maat is voor de vermogen van het apparaat om warmte om te zetten in elektriciteit. De meeste thermoelektrische generatoren hebben een figuur van verdienste van minder dan 1, wat betekent dat ze minder dan 1% van de warmte die ze opnemen omzetten in elektriciteit. Deze lage efficiëntie beperkt de praktische toepassingen van thermoelektrische generatoren, maar onderzoekers werken aan de ontwikkeling van nieuwe materialen en ontwerpen die in de toekomst hun efficiëntie kunnen verbeteren.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen die waard zijn om gedeeld te worden, indien er een inbreuk is contacteer dan voor verwijdering.