Термоэлектрлік құбылыстар физикадағы жеке тақырып болып табылады, онда температураның электр тогын тудыруы, ал соңғысы температураның өзгеруіне әкелетінін қарастырады. Алғашқы ашылған термоэлектрлік құбылыстардың бірі Зеебек эффектісі болды.
Эффектіні ашудың алғышарттары
1797 жылы итальян физигі Алессандро Вольта электр тогы саласында зерттеулер жүргізе отырып, таңғажайып құбылыстардың бірін ашты: ол екі қатты материал жанасқанда жанасу аймағында потенциалдар айырмасы пайда болатынын анықтады. Оны контакт айырмашылығы деп атайды. Физикалық тұрғыдан бұл факт ұқсас емес материалдардың жанасу аймағында тұйық тізбекте токтың пайда болуына әкелетін электр қозғаушы күш (ЭМӨ) бар екенін білдіреді. Егер қазір екі материал бір тізбекке қосылса (олардың арасында екі контакт құру үшін), онда олардың әрқайсысында көрсетілген ЭҚК пайда болады, ол шамасы бойынша бірдей, бірақ белгісі бойынша қарама-қарсы болады. Соңғысы токтың неліктен пайда болмайтынын түсіндіреді.
ЭҚК пайда болу себебі Фермидің (энергияэлектрондардың валенттік күйлері) әртүрлі материалдардағы. Соңғысы байланысқан кезде Ферми деңгейі төмендейді (бір материалда ол төмендейді, екіншісінде ол жоғарылайды). Бұл процесс электрондардың контакт арқылы өтуіне байланысты орын алады, бұл ЭҚК пайда болуына әкеледі.
ЭҚК мәні шамалы екенін бірден ескеру керек (вольттың оннан бірнеше бөлігі).
Томас Зейбектің ашылуы
Томас Зеебек (неміс физигі) 1821 жылы, яғни Вольт контакт потенциалының айырмасын ашқаннан кейін 24 жылдан кейін келесі тәжірибені жүргізді. Ол висмут пен мыс пластинасын қосып, олардың жанына магнитті инені қойды. Бұл жағдайда, жоғарыда айтылғандай, ток болған жоқ. Бірақ ғалым оттық жалынын екі металдың түйіспелерінің біріне әкелген бойда магниттік ине айнала бастады.
Енді біз тогы бар өткізгіш жасаған Ампер күші оның айналуына себеп болғанын білеміз, бірақ ол кезде Зейбек мұны білмеген, сондықтан ол металдардың индукцияланған магниттелуі температураның әсерінен болады деп қателескен. айырмашылық.
Бұл құбылыстың дұрыс түсіндірмесін бірнеше жылдан кейін дат физигі Ганс Эрстед берді, ол біз термоэлектрлік процесс туралы айтып отырғанымызды және токтың тұйық контур арқылы өтетінін атап көрсетті. Соған қарамастан, Томас Зейбек ашқан термоэлектрлік эффект қазіргі уақытта оның тегімен аталады.
Ағымдағы процестер физикасы
Тағы бір рет материалды бекіту үшін: Зеебек әсерінің мәні индукциялау болып табылады.тұйық тізбекті құрайтын әртүрлі материалдардың екі контактісінің әртүрлі температураларын сақтау нәтижесінде электр тогы.
Бұл жүйеде не болып жатқанын және онда токтың неліктен жұмыс істей бастайтынын түсіну үшін сіз үш құбылыспен танысуыңыз керек:
- Біріншісі бұрын айтылған - бұл Ферми деңгейлерінің туралануына байланысты жанасу аймағындағы ЭҚК қозуы. Материалдардағы бұл деңгейдің энергиясы температура көтерілгенде немесе төмендегенде өзгереді. Соңғы факт тізбекте екі контакт жабылған жағдайда токтың пайда болуына әкеледі (әртүрлі температурадағы металдардың жанасу аймағындағы тепе-теңдік шарттары әртүрлі болады).
- Заряд тасушыларды ыстық аймақтардан суық аймақтарға жылжыту процесі. Бұл әсерді металдар мен электрондардағы электрондар мен жартылай өткізгіштердегі саңылауларды бірінші жуықтауда идеалды газ деп санауға болатынын есте ұстасақ түсінуге болады. Белгілі болғандай, соңғысы жабық көлемде қыздырылған кезде қысымды арттырады. Басқаша айтқанда, температура жоғарырақ болатын жанасу аймағында электрон (тесік) газының «қысымдары» да жоғары болады, сондықтан заряд тасымалдаушылар материалдың суық аймақтарына, яғни басқа контактқа баруға бейім.
- Соңында, Зеебек эффектісінде токтың пайда болуына әкелетін тағы бір құбылыс - фонондардың (торлы тербелістердің) заряд тасымалдаушыларымен әрекеттесуі. Жағдай фононға ұқсайды, ыстық өткелден суық өткелге ауысады, электронды (тесігін) «соғып», оған қосымша энергия береді.
Үш процесс белгіленгеннәтижесінде сипатталған жүйеде токтың пайда болуы анықталады.
Бұл термоэлектрлік құбылыс қалай сипатталған?
Өте қарапайым, бұл үшін олар Зеебек коэффициенті деп аталатын белгілі S параметрін енгізеді. Параметр контакт температурасының айырмашылығы 1 Кельвинге (Цельсий градусына) тең болған жағдайда ЭҚК мәні индукцияланатынын көрсетеді. Яғни, жазуға болады:
S=ΔV/ΔT.
Мұнда ΔV – тізбектің ЭҚК (кернеу), ΔT – ыстық және суық түйіспелер (байланыс аймақтары) арасындағы температура айырмашылығы. Бұл формула шамамен дұрыс, өйткені S әдетте температураға байланысты.
Зебек коэффициентінің мәндері жанасатын материалдардың сипатына байланысты. Соған қарамастан, біз анық айта аламыз металл материалдар үшін бұл мәндер бірліктерге және ондаған мкВ/К-ға тең, ал жартылай өткізгіштер үшін олар жүздеген мкВ/К, яғни жартылай өткізгіштер металдарға қарағанда үлкен термоэлектрлік күшке ие.. Бұл фактінің себебі жартылай өткізгіштердің сипаттамаларының температураға (өткізгіштік, заряд тасымалдаушылардың концентрациясы) күшті тәуелділігі болып табылады.
Процесс тиімділігі
Жылуды электр энергиясына берудің таңғаларлық фактісі бұл құбылысты қолдану үшін үлкен мүмкіндіктер ашады. Дегенмен, оның технологиялық қолданылуы үшін идеяның өзі ғана емес, сонымен қатар сандық сипаттамалары да маңызды. Біріншіден, көрсетілгендей, алынған ЭҚК өте аз. Бұл мәселені көптеген өткізгіштерді тізбектей қосу арқылы айналып өтуге болады (оларТөменде талқыланатын Peltier ұяшығында жасалады).
Екіншіден, бұл термоэлектр энергиясын өндірудің тиімділігі мәселесі. Және бұл сұрақ әлі күнге дейін ашық күйінде қалып отыр. Зеебек әсерінің тиімділігі өте төмен (шамамен 10%). Яғни, барлық жұмсалған жылудың тек оннан бір бөлігін ғана пайдалы жұмыстарды орындауға жұмсауға болады. Дүние жүзіндегі көптеген зертханалар бұл тиімділікті арттыруға тырысуда, мұны жаңа ұрпақ материалдарын әзірлеу арқылы жасауға болады, мысалы, нанотехнологияны пайдалана отырып.
Зибек ашқан әсерді пайдалану
Төмен тиімділікке қарамастан, ол әлі де өз қолданылуын табады. Төменде негізгі аймақтар берілген:
- Термопар. Зеебек эффектісі әртүрлі объектілердің температурасын өлшеу үшін сәтті қолданылады. Шын мәнінде, екі контактінің жүйесі термопар болып табылады. Егер оның S коэффициенті және бір ұшының температурасы белгілі болса, онда тізбекте пайда болатын кернеуді өлшеу арқылы екінші ұшының температурасын есептеуге болады. Терможұптар сәуле шығару (электромагниттік) энергияның тығыздығын өлшеу үшін де қолданылады.
- Ғарыш зондтарында электр энергиясын өндіру. Күн жүйесін зерттеу үшін немесе одан тыс жерде электрониканы қуаттандыру үшін Зеебек әсерін қолдану үшін адам шығарған зондтар. Бұл радиациялық термоэлектрлік генератордың арқасында жасалады.
- Зебек эффектісін заманауи автомобильдерде қолдану. BMW және Volkswagen хабарладыолардың көліктерінде шығатын құбырдан шығатын газдардың жылуын пайдаланатын термоэлектрлік генераторлардың пайда болуы.
Басқа термоэлектрлік әсерлер
Үш термоэлектрлік эффект бар: Зеебек, Пелтье, Томсон. Біріншісінің мәні қазірдің өзінде қарастырылды. Peltier эффектісіне келетін болсақ, ол жоғарыда қарастырылған схема сыртқы ток көзіне қосылған болса, бір контактіні қыздырып, екіншісін салқындатудан тұрады. Яғни, Зеебек пен Пельтиер әсерлері керісінше.
Томсон эффектісінің табиғаты бірдей, бірақ ол бір материалда қарастырылады. Оның мәні ток өтетін өткізгіштің жылуды шығаруы немесе сіңіруі болып табылады және оның ұштары әртүрлі температурада сақталады.
Пельтиер ұяшығы
Зебек эффектісі бар термогенераторлық модульдерге арналған патенттер туралы айтқанда, әрине, олардың есіне ең бірінші Пелтье ұяшығы түседі. Бұл тізбектей жалғанған n және p типті өткізгіштер сериясынан жасалған ықшам құрылғы (4х4х0,4 см). Сіз оны өзіңіз жасай аласыз. Зейбек пен Пельтиер эффектілері оның жұмысының негізінде жатыр. Ол жұмыс істейтін кернеулер мен токтар аз (3-5 В және 0,5 А). Жоғарыда айтылғандай, оның жұмысының тиімділігі өте аз (≈10%).
Ол кружкадағы суды жылыту немесе салқындату немесе ұялы телефонды зарядтау сияқты күнделікті міндеттерді шешу үшін қолданылады.
