Termoelektrické jevy jsou ve fyzice samostatným tématem, ve kterém se uvažuje o tom, jak může teplota generovat elektřinu, a ta vedou ke změně teploty. Jedním z prvních objevených termoelektrických jevů byl Seebeckův jev.
Předpoklady pro otevření efektu
V roce 1797 italský fyzik Alessandro Volta, provádějící výzkum v oblasti elektřiny, objevil jeden z úžasných jevů: zjistil, že když se dva pevné materiály dostanou do kontaktu, objeví se v kontaktní oblasti potenciálový rozdíl. Říká se tomu kontaktní rozdíl. Fyzicky tato skutečnost znamená, že kontaktní zóna různých materiálů má elektromotorickou sílu (EMF), která může vést ke vzniku proudu v uzavřeném obvodu. Pokud jsou nyní dva materiály zapojeny do jednoho obvodu (aby se mezi nimi vytvořily dva kontakty), pak se na každém z nich objeví zadané EMF, které bude mít stejnou velikost, ale opačné znaménko. Ten vysvětluje, proč není generován žádný proud.
Důvodem pro objevení se EMF je odlišná úroveň Fermi (energievalenční stavy elektronů) v různých materiálech. Když se posledně jmenované dostanou do kontaktu, Fermiho hladina se vyrovná (u jednoho materiálu klesá, u jiného se zvyšuje). K tomuto procesu dochází v důsledku průchodu elektronů kontaktem, což vede ke vzniku EMP.
Okamžitě je třeba poznamenat, že hodnota EMF je zanedbatelná (řádově několik desetin voltu).
Objev Thomase Seebecka
Thomas Seebeck (německý fyzik) v roce 1821, tedy 24 let po objevení rozdílu kontaktního potenciálu Voltem, provedl následující experiment. Spojil desku vizmutu a mědi a vedle nich umístil magnetickou jehlu. V tomto případě, jak je uvedeno výše, nedošlo k žádnému proudu. Ale jakmile vědec přivedl plamen hořáku k jednomu z kontaktů dvou kovů, magnetická střelka se začala otáčet.
Nyní víme, že ampérova síla vytvořená proudovým vodičem způsobila jeho otáčení, ale v té době to Seebeck nevěděl, takže se mylně domníval, že k indukované magnetizaci kovů dochází v důsledku teploty rozdíl.
Správné vysvětlení tohoto jevu podal o několik let později dánský fyzik Hans Oersted, který poukázal na to, že mluvíme o termoelektrickém procesu a proud protéká uzavřeným okruhem. Nicméně termoelektrický jev objevený Thomasem Seebeckem v současnosti nese jeho příjmení.
Fyzika probíhajících procesů
Ještě jednou ke konsolidaci materiálu: podstatou Seebeckova efektu je vyvolatelektrický proud jako výsledek udržování různých teplot dvou kontaktů z různých materiálů, které tvoří uzavřený obvod.
Abyste pochopili, co se v tomto systému děje a proč v něm začíná téct proud, měli byste se seznámit se třemi jevy:
- První z nich již byla zmíněna - jedná se o buzení EMF v kontaktní oblasti kvůli vyrovnání Fermiho hladin. Energie této úrovně v materiálech se mění, jak teplota stoupá nebo klesá. Posledně uvedená skutečnost povede ke vzniku proudu, pokud jsou dva kontakty uzavřeny v obvodu (rovnovážné podmínky v zóně kontaktu kovů při různých teplotách se budou lišit).
- Proces přesunu nosičů náboje z horkých do studených oblastí. Tento efekt lze pochopit, pokud si uvědomíme, že elektrony v kovech a elektrony a díry v polovodičích lze v první aproximaci považovat za ideální plyn. Jak je známo, při zahřívání v uzavřeném objemu zvyšuje tlak. Jinými slovy, v kontaktní zóně, kde je vyšší teplota, je vyšší i „tlak“elektronového (dírového) plynu, takže nosiče náboje mají tendenci směřovat do chladnějších oblastí materiálu, tedy k jinému kontaktu.
- A konečně, dalším jevem, který vede ke vzniku proudu v Seebeckově jevu, je interakce fononů (chvění mřížky) s nosiči náboje. Situace vypadá jako fonon, který se pohybuje od horkého spoje ke studenému spoji, "zasáhne" elektron (díru) a dodá mu další energii.
Označeny tři procesyjako výsledek je určen výskyt proudu v popsaném systému.
Jak je tento termoelektrický jev popsán?
Velmi jednoduché, za tímto účelem zavádějí určitý parametr S, který se nazývá Seebeckův koeficient. Parametr ukazuje, zda je hodnota EMF indukována, pokud je teplotní rozdíl kontaktů udržován na hodnotě 1 Kelvin (stupeň Celsia). To znamená, že můžete napsat:
S=ΔV/ΔT.
Zde ΔV je EMF obvodu (napětí), ΔT je teplotní rozdíl mezi horkými a studenými spoji (kontaktními zónami). Tento vzorec je pouze přibližně správný, protože S obecně závisí na teplotě.
Hodnoty Seebeckova koeficientu závisí na povaze materiálů, které jsou v kontaktu. Rozhodně však můžeme říci, že u kovových materiálů se tyto hodnoty rovnají jednotkám a desítkám μV/K, zatímco u polovodičů jsou to stovky μV/K, to znamená, že polovodiče mají řádově větší termoelektrickou sílu než kovy.. Důvodem této skutečnosti je silnější závislost charakteristik polovodičů na teplotě (vodivost, koncentrace nosičů náboje).
Efektivita procesu
Překvapivý fakt převodu tepla na elektřinu otevírá velké možnosti pro uplatnění tohoto fenoménu. Přesto je pro jeho technologické využití důležitý nejen samotný nápad, ale i kvantitativní charakteristiky. Za prvé, jak bylo ukázáno, výsledné emf je poměrně malé. Tento problém lze obejít použitím sériového zapojení velkého počtu vodičů (kterése provádí v Peltierově buňce, o které bude pojednáno níže).
Zadruhé je to otázka účinnosti výroby termoelektrické energie. A tato otázka zůstává otevřená dodnes. Účinnost Seebeckova efektu je extrémně nízká (asi 10 %). To znamená, že ze veškerého vynaloženého tepla může být pouze jedna desetina využita k provedení užitečné práce. Mnoho laboratoří po celém světě se snaží tuto účinnost zvýšit, což lze dosáhnout vývojem materiálů nové generace, například pomocí nanotechnologií.
Použití efektu objeveného Seebeckem
I přes nízkou účinnost stále najde své využití. Níže jsou uvedeny hlavní oblasti:
- Termočlánek. Seebeckův efekt se úspěšně používá k měření teplot různých objektů. Ve skutečnosti je systém dvou kontaktů termočlánek. Pokud je znám jeho koeficient S a teplota jednoho z konců, pak měřením napětí, které se vyskytuje v obvodu, je možné vypočítat teplotu druhého konce. Termočlánky se také používají k měření hustoty zářivé (elektromagnetické) energie.
- Výroba elektřiny na vesmírných sondách. Člověkem vypuštěné sondy k průzkumu naší sluneční soustavy nebo mimo ni využívají Seebeckův efekt k napájení elektroniky na palubě. To se děje díky radiačnímu termoelektrickému generátoru.
- Použití Seebeckova efektu v moderních autech. Oznámily to BMW a Volkswagenvzhled v jejich autech termoelektrických generátorů, které budou využívat teplo plynů emitovaných z výfukového potrubí.
Jiné termoelektrické efekty
Existují tři termoelektrické efekty: Seebeck, Peltier, Thomson. Podstata prvního již byla zvážena. Pokud jde o Peltierův jev, spočívá v ohřevu jednoho kontaktu a chlazení druhého, pokud je výše diskutovaný obvod připojen k externímu zdroji proudu. To znamená, že Seebeckovy a Peltierovy efekty jsou opačné.
Thomsonův efekt má stejnou povahu, ale je uvažován na stejném materiálu. Jeho podstatou je uvolňování nebo absorpce tepla vodičem, kterým protéká proud a jehož konce jsou udržovány na různých teplotách.
Peltierova buňka
Když mluvíme o patentech na moduly termogenerátorů se Seebeckovým efektem, pak si samozřejmě jako první vzpomenou na Peltierův článek. Jedná se o kompaktní zařízení (4x4x0,4 cm) vyrobené ze série vodičů typu n a p zapojených do série. Můžete si to vyrobit sami. Efekty Seebecka a Peltiera jsou jádrem její práce. Napětí a proudy, se kterými pracuje, jsou malé (3-5 V a 0,5 A). Jak bylo uvedeno výše, efektivita jeho práce je velmi malá (≈10 %).
Slouží k řešení takových každodenních úkolů, jako je ohřev nebo chlazení vody v hrnku nebo dobíjení mobilního telefonu.
