Termoelektrik hodisalar fizikada alohida mavzu boʻlib, ularda harorat qanday qilib elektr toki hosil qilishi, ikkinchisi esa haroratning oʻzgarishiga olib keladi. Birinchi kashf etilgan termoelektrik hodisalardan biri Seebek effekti edi.
Effektni ochish uchun zarur shartlar
1797-yilda italyan fizigi Alessandro Volta elektr energiyasi sohasida tadqiqot olib borar ekan, hayratlanarli hodisalardan birini kashf qildi: u ikkita qattiq material aloqa qilganda kontakt sohasida potensial farq paydo boʻlishini aniqladi. U kontakt farqi deb ataladi. Jismoniy jihatdan, bu haqiqat o'xshash bo'lmagan materiallarning aloqa zonasi yopiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqim paydo bo'lishiga olib keladigan elektromotor kuchga (EMF) ega ekanligini anglatadi. Agar hozir ikkita material bitta kontaktlarning zanglashiga olib ulangan bo'lsa (ular o'rtasida ikkita kontakt hosil qilish uchun), unda belgilangan EMF ularning har birida paydo bo'ladi, bu kattalikda bir xil bo'ladi, lekin belgisiga qarama-qarshi bo'ladi. Ikkinchisi nima uchun oqim hosil qilinmasligini tushuntiradi.
EMF paydo boʻlishining sababi Fermining boshqa darajasi (energiyaelektronlarning valentlik holatlari) turli materiallarda. Ikkinchisi aloqa qilganda, Fermi darajasi pasayadi (bir materialda u pasayadi, boshqasida esa ko'tariladi). Bu jarayon elektronlarning kontakt orqali o'tishi tufayli yuzaga keladi, bu esa EMF paydo bo'lishiga olib keladi.
Darhol shuni ta'kidlash kerakki, EMF qiymati ahamiyatsiz (voltning o'ndan bir necha qismiga teng).
Tomas Seebekning kashfiyoti
Tomas Zeebek (nemis fizigi) 1821-yilda, yaʼni Volt tomonidan kontakt potentsiallar farqini kashf qilganidan 24 yil oʻtib, quyidagi tajribani oʻtkazdi. U vismut va mis plastinkasini bog‘lab, yoniga magnit igna qo‘ydi. Bunday holda, yuqorida aytib o'tilganidek, oqim sodir bo'lmadi. Ammo olim gorelka alangasini ikki metalning kontaktlaridan biriga olib kelishi bilan magnit igna aylana boshladi.
Endi biz bilamizki, tok oʻtkazuvchisi tomonidan yaratilgan Amper kuchi uning burilishiga sabab boʻlgan, lekin oʻsha paytda Zeebek buni bilmas edi, shuning uchun u metallarning induksiyalangan magnitlanishi harorat natijasida sodir boʻladi, deb xato taxmin qilgan. farq.
Bu hodisaning toʻgʻri izohini bir necha yil oʻtib Daniya fizigi Xans Oersted bergan boʻlib, u gap termoelektrik jarayon haqida ketayotganini va tok yopiq zanjirdan oʻtishini taʼkidladi. Shunga qaramay, Tomas Seebek tomonidan kashf etilgan termoelektrik effekt hozirda uning familiyasiga ega.
Davom etayotgan jarayonlar fizikasi
Yana bir bor materialni mustahkamlash uchun: Seebek effektining mohiyati induktsiyadir.yopiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan turli materiallarning ikkita kontaktining har xil haroratlarini saqlab turish natijasida elektr toki.
Ushbu tizimda nima sodir boʻlishini va nima uchun unda oqim oʻta boshlaganini tushunish uchun siz uchta hodisa bilan tanishishingiz kerak:
- Birinchisi allaqachon aytib o'tilgan - bu Fermi darajalarining hizalanishi tufayli EMFning kontakt hududida qo'zg'alishi. Materiallardagi bu darajadagi energiya harorat ko'tarilishi yoki pasayishi bilan o'zgaradi. Oxirgi fakt, agar zanjirda ikkita kontakt yopilgan bo'lsa, oqim paydo bo'lishiga olib keladi (turli haroratlarda metallarning aloqa zonasidagi muvozanat sharoitlari boshqacha bo'ladi).
- Zaryad tashuvchilarni issiqdan sovuq hududlarga koʻchirish jarayoni. Agar metallar va elektronlardagi elektronlar va yarimo'tkazgichlardagi teshiklar, birinchi taxminiy nuqtai nazardan, ideal gaz deb hisoblanishi mumkinligini eslasak, bu ta'sirni tushunish mumkin. Ma'lumki, ikkinchisi, yopiq hajmda qizdirilganda, bosimni oshiradi. Boshqacha qilib aytganda, harorat yuqori bo'lgan aloqa zonasida elektron (teshik) gazining "bosimi" ham yuqori bo'ladi, shuning uchun zaryad tashuvchilar materialning sovuqroq joylariga, ya'ni boshqa kontaktga o'tishga intiladi.
- Nihoyat, Seebek effektida tokning paydo boʻlishiga olib keladigan yana bir hodisa fononlarning (panjara tebranishlari) zaryad tashuvchilar bilan oʻzaro taʼsiridir. Vaziyat fononga o'xshaydi, u issiq o'tish joyidan sovuq o'tish joyiga o'tadi, elektronni (teshikni) "uradi" va unga qo'shimcha energiya beradi.
Uchta jarayon belgilangannatijada tasvirlangan tizimda tokning paydo bo'lishi aniqlanadi.
Bu termoelektrik hodisa qanday tasvirlangan?
Juda oddiy, buning uchun ular ma'lum bir S parametrini kiritadilar, bu Seebek koeffitsienti deb ataladi. Parametr kontaktdagi harorat farqi 1 Kelvin (Selsiy gradus) ga teng bo'lsa, EMF qiymati induksiyalanganligini ko'rsatadi. Ya'ni, siz yozishingiz mumkin:
S=DV/DT.
Bu erda DV - zanjirning EMF (kuchlanish), DT - issiq va sovuq o'tish joylari (aloqa zonalari) o'rtasidagi harorat farqi. Bu formula faqat taxminan toʻgʻri, chunki S odatda haroratga bogʻliq.
Seebeck koeffitsientining qiymatlari aloqada bo'lgan materiallarning tabiatiga bog'liq. Shunga qaramay, biz aniq aytishimiz mumkinki, metall materiallar uchun bu qiymatlar birliklarga va o'nlab mkV / K ga teng, yarim o'tkazgichlar uchun esa ular yuzlab mkV / K ga teng, ya'ni yarim o'tkazgichlar metallarga qaraganda kattaroq termoelektrik kuchga ega.. Buning sababi yarimo'tkazgichlar xususiyatlarining haroratga (o'tkazuvchanlik, zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi) kuchliroq bog'liqligidir.
Jarayon samaradorligi
Issiqlikni elektr energiyasiga oʻtkazishning hayratlanarli fakti ushbu hodisani qoʻllash uchun katta imkoniyatlar ochadi. Shunga qaramay, uning texnologik qo'llanilishi uchun nafaqat g'oyaning o'zi, balki miqdoriy xususiyatlari ham muhimdir. Birinchidan, ko'rsatilgandek, natijada olingan emf juda kichik. Ko'p sonli o'tkazgichlarning ketma-ket ulanishi yordamida bu muammoni chetlab o'tish mumkinPeltier xujayrasida amalga oshiriladi, bu quyida muhokama qilinadi).
Ikkinchidan, bu termoelektr ishlab chiqarish samaradorligi masalasidir. Va bu savol bugungi kungacha ochiq qolmoqda. Seebeck effektining samaradorligi juda past (taxminan 10%). Ya'ni, sarflangan issiqlikning faqat o'ndan bir qismi foydali ishlarni bajarish uchun ishlatilishi mumkin. Dunyo bo'ylab ko'plab laboratoriyalar bu samaradorlikni oshirishga harakat qilmoqda, buni yangi avlod materiallarini ishlab chiqish, masalan, nanotexnologiya yordamida amalga oshirish mumkin.
Sebeck tomonidan topilgan effektdan foydalanish
Past samaradorlikka qaramay, u hali ham oʻz qoʻllanilishini topmoqda. Quyida asosiy sohalar keltirilgan:
- Termojuft. Seebek effekti turli ob'ektlarning haroratini o'lchash uchun muvaffaqiyatli qo'llaniladi. Aslida, ikkita kontaktli tizim termojuftdir. Agar uning koeffitsienti S va uchlaridan birining harorati ma'lum bo'lsa, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanishni o'lchash orqali ikkinchi uchining haroratini hisoblash mumkin. Termojuftlar nurlanish (elektromagnit) energiyaning zichligini o'lchash uchun ham ishlatiladi.
- Kosmik zondlarda elektr energiyasi ishlab chiqarish. Quyosh sistemamizni o'rganish yoki undan tashqarida bortdagi elektronikani quvvatlantirish uchun Seebeck effektidan foydalanish uchun inson tomonidan ishga tushirilgan zondlar. Bu radiatsion termoelektr generatori tufayli amalga oshiriladi.
- Zebek effektini zamonaviy avtomobillarda qoʻllash. BMW va Volkswagen e'lon qildiularning avtomobillarida egzoz trubkasidan chiqadigan gazlar issiqligidan foydalanadigan termoelektr generatorlarining paydo bo'lishi.
Boshqa termoelektr effektlar
Uchta termoelektr effekti mavjud: Seebek, Peltier, Tomson. Birinchisining mohiyati allaqachon ko'rib chiqilgan. Peltier effektiga kelsak, agar yuqorida muhokama qilingan sxema tashqi oqim manbaiga ulangan bo'lsa, u bir kontaktni isitish va ikkinchisini sovutishdan iborat. Ya'ni, Seebek va Peltier effektlari qarama-qarshidir.
Tomson effekti bir xil xususiyatga ega, ammo u bir xil materialda ko'rib chiqiladi. Uning mohiyati oqim o'tadigan va uchlari turli haroratlarda saqlanadigan o'tkazgich tomonidan issiqlikni chiqarish yoki yutishdan iborat.
Peltier xujayrasi
Sebeck effektiga ega termogenerator modullari uchun patentlar haqida gapirganda, ular birinchi navbatda Peltier xujayrasini eslashadi. Bu ketma-ket ulangan n- va p-tipli o'tkazgichlar seriyasidan tayyorlangan ixcham qurilma (4x4x0,4 sm). Siz buni o'zingiz qilishingiz mumkin. Seebek va Peltier effektlari uning ishining markazida. U ishlaydigan kuchlanish va oqimlar kichik (3-5 V va 0,5 A). Yuqorida aytib o'tilganidek, uning ish samaradorligi juda kichik (≈10%).
U krujkadagi suvni isitish yoki sovutish yoki mobil telefonni zaryadlash kabi kundalik vazifalarni hal qilish uchun ishlatiladi.
