Термоэлектрик үзэгдлүүд нь физикийн тусдаа сэдэв бөгөөд тэдгээр нь температур хэрхэн цахилгаан үүсгэж болохыг авч үздэг бөгөөд сүүлийнх нь температурын өөрчлөлтөд хүргэдэг. Анхны нээсэн дулаан цахилгаан үзэгдлүүдийн нэг бол Зебекийн эффект юм.
Эффектийг нээх урьдчилсан нөхцөл
1797 онд Италийн физикч Алессандро Вольта цахилгаан эрчим хүчний чиглэлээр судалгаа хийж байхдаа нэгэн гайхалтай үзэгдлийг нээсэн нь хоёр хатуу материал шүргэлцэхэд хүрэлцэх хэсэгт потенциалын зөрүү гарч ирдэг болохыг олж мэдсэн. Үүнийг контактын ялгаа гэж нэрлэдэг. Бие махбодийн хувьд энэ баримт нь ялгаатай материалын контактын бүс нь хаалттай хэлхээнд гүйдэл үүсэхэд хүргэдэг цахилгаан хөдөлгөгч хүч (EMF) байдаг гэсэн үг юм. Хэрэв одоо хоёр материалыг нэг хэлхээнд холбосон бол (тэдгээрийн хооронд хоёр контакт үүсгэхийн тулд) заасан EMF нь тус бүр дээр гарч ирэх бөгөөд энэ нь хэмжээ нь ижил, гэхдээ эсрэгээрээ байх болно. Сүүлийнх нь яагаад гүйдэл үүсгэдэггүйг тайлбарладаг.
EMF гарч ирэх шалтгаан нь Ферми (энергиэлектронуудын валентын төлөвүүд) янз бүрийн материалд. Сүүлд нь хүрэх үед Ферми түвшин буурдаг (нэг материалд энэ нь буурч, нөгөөд нь нэмэгддэг). Энэ үйл явц нь электронууд контактаар дамжсанаас болж үүсдэг бөгөөд энэ нь EMF-ийг үүсгэдэг.
EMF-ийн утга нь ач холбогдол багатай (вольтийн аравны хэдэн хувь) гэдгийг нэн даруй тэмдэглэх нь зүйтэй.
Томас Зейбекийн нээлт
Томас Зейбек (Германы физикч) 1821 онд, өөрөөр хэлбэл Вольт контактын потенциалын зөрүүг нээснээс хойш 24 жилийн дараа дараах туршилтыг хийжээ. Тэрээр висмут, зэсийн хавтанг холбож, тэдгээрийн хажууд соронзон зүү тавив. Энэ тохиолдолд дээр дурдсанчлан гүйдэл үүссэнгүй. Гэвч эрдэмтэн шатаагчны дөлийг хоёр металлын контактын аль нэгэнд хүргэмэгц соронзон зүү эргэлдэж эхлэв.
Одоо бид гүйдэл дамжуулах дамжуулагчийн үүсгэсэн амперийн хүч түүнийг эргүүлэхэд хүргэсэн гэдгийг мэдэж байгаа ч тэр үед Зебек үүнийг мэдэхгүй байсан тул металын индукц соронзлол нь температурын үр дүнд үүсдэг гэж андуурчээ. ялгаа.
Энэ үзэгдлийн зөв тайлбарыг хэдэн жилийн дараа Данийн физикч Ханс Оерстед өгсөн бөгөөд бид дулаан цахилгаан процессын тухай ярьж байгаа бөгөөд битүү хэлхээгээр гүйдэл гүйдэг гэж онцолсон. Гэсэн хэдий ч Томас Зейбекийн нээсэн термоэлектрик эффект одоогоор түүний овогтой.
Болж буй үйл явцын физик
Дахин нэг удаа материалыг нэгтгэхийн тулд: Seebeck эффектийн мөн чанар нь өдөөх явдал юм. Битүү хэлхээ үүсгэдэг өөр өөр материалын хоёр контактын температурыг өөр өөр байлгасны үр дүнд цахилгаан гүйдэл.
Энэ системд юу болж, яагаад гүйдэл гүйж эхэлдгийг ойлгохын тулд та дараах гурван үзэгдэлтэй танилцах хэрэгтэй:
- Эхнийх нь аль хэдийн дурдагдсан - энэ нь Ферми түвшний уялдаа холбоотой бүс дэх EMF-ийн өдөөлт юм. Материалын энэ түвшний энерги нь температур нэмэгдэх эсвэл буурах үед өөрчлөгддөг. Сүүлчийн баримт нь хэлхээнд хоёр контакт хаагдсан тохиолдолд гүйдэл үүсэхэд хүргэдэг (өөр өөр температурт металлын хүрэлцэх бүсийн тэнцвэрийн нөхцөл өөр өөр байх болно).
- Цэнэг зөөгчийг халуун бүсээс хүйтэн бүс рүү шилжүүлэх үйл явц. Металл дахь электронууд ба электронууд, хагас дамжуулагч дахь нүхнүүд эхний ойролцоолсноор хамгийн тохиромжтой хий гэж тооцогддог гэдгийг санаж байвал энэ нөлөөг ойлгож болно. Мэдэгдэж байгаагаар, сүүлийнх нь хаалттай эзэлхүүнтэй халах үед даралтыг нэмэгдүүлдэг. Өөрөөр хэлбэл, өндөр температуртай контактын бүсэд электрон (нүх) хийн "даралт" мөн өндөр байдаг тул цэнэг зөөгчид материалын хүйтэн хэсгүүдэд, өөрөөр хэлбэл өөр контакт руу шилжих хандлагатай байдаг.
- Эцэст нь Зебекийн эффектэд гүйдэл үүсэхэд хүргэдэг өөр нэг үзэгдэл бол фононуудын (торны чичиргээ) цэнэг зөөгчтэй харилцан үйлчлэлцэх явдал юм. Нөхцөл байдал нь фонон шиг харагдаж, халуун уулзвараас хүйтэн уулзвар руу шилжиж, электрон (нүх) "цохиж" түүнд нэмэлт энерги өгдөг.
Гурван процессыг тэмдэглэсэнҮүний үр дүнд тодорхойлсон системд гүйдэл үүсэхийг тодорхойлно.
Энэ дулаан цахилгаан үзэгдлийг хэрхэн дүрсэлсэн бэ?
Маш энгийн, үүний тулд тэд тодорхой S параметрийг нэвтрүүлдэг бөгөөд үүнийг Seebeck коэффициент гэж нэрлэдэг. Энэ параметр нь контактын температурын зөрүүг 1 Кельвин (Цельсийн градус) -тай тэнцүү байлгах тохиолдолд EMF утгыг өдөөдөг эсэхийг харуулдаг. Өөрөөр хэлбэл, та бичиж болно:
S=ΔV/ΔT.
Энд ΔV нь хэлхээний EMF (хүчдэл), ΔT нь халуун, хүйтэн уулзваруудын (холбоо барих бүс) температурын зөрүү юм. S ерөнхийдөө температураас хамаардаг тул энэ томьёо нь ойролцоогоор зөв юм.
Зебекийн коэффициентийн утга нь холбоо барих материалын шинж чанараас хамаарна. Гэсэн хэдий ч металл материалын хувьд эдгээр утгууд нь нэгж ба хэдэн арван мкВ / К-тэй тэнцүү байдаг бол хагас дамжуулагчийн хувьд тэдгээр нь хэдэн зуун мкВ/К, өөрөөр хэлбэл хагас дамжуулагч нь металаас илүү их дулаан цахилгаантай байдаг гэж бид тодорхой хэлж чадна.. Үүний шалтгаан нь хагас дамжуулагчийн шинж чанар нь температураас (дамжуулагч чанар, цэнэгийн тээвэрлэгчдийн концентраци) илүү хүчтэй хамааралтай байдаг.
Процессын үр ашиг
Дулааныг цахилгаан болгон хувиргах гайхалтай баримт нь энэхүү үзэгдлийг хэрэгжүүлэх том боломжийг нээж өгч байна. Гэсэн хэдий ч технологийн хэрэглээний хувьд санаа нь өөрөө чухал төдийгүй тоон шинж чанар нь чухал юм. Нэгдүгээрт, харуулсанчлан, үүссэн emf нь маш бага байна. Олон тооны дамжуулагчийн цуваа холболтыг ашиглан энэ асуудлыг тойрч болноPeltier үүрэнд хийгддэг бөгөөд үүнийг доор авч үзэх болно).
Хоёрдугаарт, энэ нь дулааны цахилгаан үйлдвэрлэх үр ашгийн асуудал юм. Мөн энэ асуулт өнөөг хүртэл нээлттэй хэвээр байна. Seebeck-ийн үр нөлөө маш бага (ойролцоогоор 10%). Өөрөөр хэлбэл, зарцуулсан дулааны аравны нэгийг л ашигтай ажил гүйцэтгэхэд ашиглаж болно. Дэлхийн олон лабораториуд энэхүү үр ашгийг нэмэгдүүлэхийг хичээж байгаа бөгөөд үүнийг нанотехнологи ашиглан шинэ үеийн материал боловсруулах замаар хийж болно.
Зибэкийн нээсэн эффектийг ашиглаж байна
Үр ашиг багатай хэдий ч хэрэглээгээ олсоор байна. Доорх үндсэн хэсгүүд байна:
- Термопар. Seebeck эффектийг янз бүрийн объектын температурыг хэмжихэд амжилттай ашиглаж байна. Үнэн хэрэгтээ хоёр контактын систем нь термопар юм. Хэрэв түүний S коэффициент ба аль нэг төгсгөлийн температур мэдэгдэж байгаа бол хэлхээнд үүсэх хүчдэлийг хэмжих замаар нөгөө төгсгөлийн температурыг тооцоолох боломжтой. Термопарыг мөн цацраг (цахилгаан соронзон) энергийн нягтыг хэмжихэд ашигладаг.
- Сансрын датчик дээр цахилгаан үүсгэх. Манай нарны аймгийг судлах эсвэл цаашлаад Зейбек эффектийг ашиглан хөлөг дээрх электроникийг тэжээх зорилгоор хүний эхлүүлсэн мэдрэгчүүд. Энэ нь цацрагийн дулаан цахилгаан үүсгүүрийн ачаар хийгддэг.
- Зебек эффектийг орчин үеийн машинд ашиглах. BMW болон Volkswagen компаниуд зарлалааЯндангаас ялгарах хийн дулааныг ашиглах дулааны цахилгаан үүсгүүрийн машинд харагдах байдал.
Бусад дулаан цахилгаан эффект
Зебек, Пелтиер, Томсон гэсэн гурван дулаан цахилгаан эффект байдаг. Эхнийх нь мөн чанарыг аль хэдийн авч үзсэн. Пелтье эффектийн хувьд дээр дурдсан хэлхээг гадны гүйдлийн эх үүсвэрт холбосон бол нэг контактыг халааж, нөгөөг нь хөргөхөөс бүрдэнэ. Энэ нь Seebeck болон Peltier-ийн нөлөө эсрэг байна.
Томсоны эффект нь ижил шинж чанартай боловч ижил материал дээр тооцогддог. Үүний мөн чанар нь гүйдэл дамждаг дамжуулагчийн дулааныг ялгаруулах буюу шингээх явдал бөгөөд тэдгээрийн төгсгөлүүд нь янз бүрийн температурт хадгалагддаг.
Пелтиер эс
Зибек эффект бүхий термогенераторын модулиудын патентын тухай ярихдаа мэдээж хамгийн түрүүнд Пелтье эсийг санадаг. Энэ нь цуваа холбосон n ба p төрлийн дамжуулагчаас бүтсэн авсаархан (4х4х0.4 см) төхөөрөмж юм. Та өөрөө хийж болно. Seebeck болон Peltier эффектүүд нь түүний ажлын гол цөм юм. Түүний ажилладаг хүчдэл ба гүйдэл нь бага (3-5 В ба 0.5 А). Дээр дурдсанчлан түүний ажлын үр ашиг маш бага (≈10%).
Энэ нь аяганд ус халаах, хөргөх, гар утсаа цэнэглэх зэрэг өдөр тутмын ажлыг шийдвэрлэхэд хэрэглэгддэг.
