Θερμοηλεκτρικά εφέ Seebeck, Peltier και Thomson
Η λειτουργία των θερμοηλεκτρικών ψυγείων και γεννητριών βασίζεται σε θερμοηλεκτρικά φαινόμενα. Αυτά περιλαμβάνουν τα εφέ Seebeck, Peltier και Thomson. Αυτές οι επιδράσεις σχετίζονται τόσο με τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια όσο και με τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ψυχρή.
Οι θερμοηλεκτρικές ιδιότητες των καλωδίων οφείλονται στις συνδέσεις μεταξύ θερμότητας και ηλεκτρικού ρεύματος:
- Φαινόμενο Seebeck — εμφάνιση θερμο-EMF σε μια αλυσίδα ανώμαλων καλωδίων, σε διαφορετικές θερμοκρασίες των τμημάτων της.
- Φαινόμενο Peltier — απορρόφηση ή απελευθέρωση θερμότητας στην επαφή δύο διαφορετικών αγωγών όταν τους διέρχεται συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα.
- Φαινόμενο Thomson — απορρόφηση ή απελευθέρωση θερμότητας (super-Joule) στον όγκο ενός αγωγού όταν διέρχεται από έναν πόλο, ηλεκτρικό ρεύμα παρουσία βαθμίδωσης θερμοκρασίας.
Τα φαινόμενα Seebeck, Peltier και Thompson είναι μεταξύ των κινητικών φαινομένων. Σχετίζονται με τις διαδικασίες κίνησης φορτίου και ενέργειας, επομένως ονομάζονται συχνά φαινόμενα μεταφοράς.Οι κατευθυντικές ροές φορτίου και ενέργειας σε έναν κρύσταλλο παράγονται και διατηρούνται από εξωτερικές δυνάμεις: ηλεκτρικό πεδίο, κλίση θερμοκρασίας.
Κατευθυντική ροή σωματιδίων (ιδίως φορείς φορτίου — ηλεκτρόνια και οπές) εμφανίζεται επίσης παρουσία μιας βαθμίδας συγκέντρωσης αυτών των σωματιδίων. Το ίδιο το μαγνητικό πεδίο δεν δημιουργεί κατευθυνόμενες ροές φορτίου ή ενέργειας, αλλά επηρεάζει τις ροές που δημιουργούνται από άλλες εξωτερικές επιρροές.
Φαινόμενο Seebekov
Το φαινόμενο Seebeck είναι ότι εάν σε ένα ανοιχτό ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από πολλούς διαφορετικούς αγωγούς η μία από τις επαφές διατηρεί τη θερμοκρασία T1 (θερμή διασταύρωση) και η άλλη τη θερμοκρασία T2 (ψυχρή διασταύρωση), τότε υπό την προϋπόθεση ότι το T1 δεν είναι ίσο με το T2 στα άκρα εμφανίζεται στο κύκλωμα μια θερμοηλεκτρική δύναμη Ε. Όταν οι επαφές είναι κλειστές, εμφανίζεται ηλεκτρικό ρεύμα στο κύκλωμα.
Φαινόμενο Seebekov:
Παρουσία μιας βαθμίδας θερμοκρασίας στον αγωγό, η ροή θερμικής διάχυσης των φορέων φορτίου συμβαίνει από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο. Εάν το ηλεκτρικό κύκλωμα είναι ανοιχτό, τότε οι φορείς συσσωρεύονται στο ψυχρό άκρο, φορτίζοντας το αρνητικά εάν πρόκειται για ηλεκτρόνια και θετικά στην περίπτωση αγωγιμότητας οπής. Σε αυτή την περίπτωση, το μη αντισταθμισμένο φορτίο ιόντων παραμένει στο θερμό άκρο.
Το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει επιβραδύνει την κίνηση των φορέων προς το ψυχρό άκρο και επιταχύνει την κίνηση των φορέων προς το θερμό άκρο. Η συνάρτηση κατανομής μη ισορροπίας που σχηματίζεται από την κλίση θερμοκρασίας μετατοπίζεται υπό τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου και παραμορφώνεται σε κάποιο βαθμό. Η κατανομή που προκύπτει είναι τέτοια ώστε το ρεύμα να είναι μηδέν. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία που το προκάλεσε.
Η τιμή του συντελεστή αναλογικότητας και το πρόσημο του εξαρτώνται από τις ιδιότητες του υλικού. Είναι δυνατό να ανιχνευθεί το ηλεκτρικό πεδίο Seebeck και να μετρηθεί η θερμοηλεκτρική δύναμη μόνο σε ένα κύκλωμα που αποτελείται από διαφορετικά υλικά. Οι διαφορές στις πιθανές επαφές αντιστοιχούν στη διαφορά στα χημικά δυναμικά των υλικών που έρχονται σε επαφή.
Φαινόμενο Peltier
Το φαινόμενο Peltier είναι ότι όταν ένα συνεχές ρεύμα διέρχεται από ένα θερμοστοιχείο που αποτελείται από δύο αγωγούς ή ημιαγωγούς, μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας απελευθερώνεται ή απορροφάται στο σημείο επαφής (ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος).
Όταν τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από ένα υλικό τύπου p σε ένα υλικό τύπου n μέσω μιας ηλεκτρικής επαφής, πρέπει να ξεπεράσουν ένα ενεργειακό φράγμα και να πάρουν ενέργεια από το κρυσταλλικό πλέγμα (ψυχρή διασταύρωση) για να το κάνουν. Αντίθετα, όταν πηγαίνουν από ένα υλικό τύπου n σε ένα υλικό τύπου p, τα ηλεκτρόνια δίνουν ενέργεια στο πλέγμα (θερμή διασταύρωση).
Επίδραση Peltier:
Το φαινόμενο Thomson
Το φαινόμενο Thomson είναι ότι όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ενός αγωγού ή ημιαγωγού στον οποίο δημιουργείται μια διαβάθμιση θερμοκρασίας, εκτός από τη θερμότητα Joule, απελευθερώνεται ή απορροφάται μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας (ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος).
Ο φυσικός λόγος για αυτό το φαινόμενο σχετίζεται με το γεγονός ότι η ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Τότε τα ηλεκτρόνια αποκτούν μεγαλύτερη ενέργεια στη θερμή ένωση από ότι στην ψυχρή. Η πυκνότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυξάνεται επίσης με την αύξηση της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα μια ροή ηλεκτρονίων από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο.
Το θετικό φορτίο συσσωρεύεται στο θερμό άκρο και το αρνητικό φορτίο στο ψυχρό άκρο. Η ανακατανομή των φορτίων εμποδίζει τη ροή των ηλεκτρονίων και, σε μια ορισμένη διαφορά δυναμικού, τη σταματά εντελώς.
Τα φαινόμενα που περιγράφονται παραπάνω συμβαίνουν με παρόμοιο τρόπο σε ουσίες με αγωγιμότητα οπών, με τη μόνη διαφορά ότι το αρνητικό φορτίο συσσωρεύεται στο θερμό άκρο και οι θετικά φορτισμένες οπές στο ψυχρό άκρο. Επομένως, για ουσίες με μικτή αγωγιμότητα, το φαινόμενο Thomson αποδεικνύεται αμελητέο.
Φαινόμενο Thomson:
Το φαινόμενο Thomson δεν έχει βρει πρακτική εφαρμογή, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του τύπου αγωγιμότητας ακαθαρσιών των ημιαγωγών.
Πρακτική χρήση των εφέ Seebeck και Peltier
Θερμοηλεκτρικά φαινόμενα: φαινόμενα Seebeck και Peltier — βρείτε πρακτική εφαρμογή σε μετατροπείς θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς μηχανή — θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (TEG), σε αντλίες θερμότητας — συσκευές ψύξης, θερμοστάτες, κλιματιστικά, σε συστήματα μέτρησης και ελέγχου όπως αισθητήρες θερμοκρασίας, ροή θερμότητας (βλ. Θερμοηλεκτρικοί μετατροπείς).
Στην καρδιά των θερμοηλεκτρικών συσκευών βρίσκονται ειδικά στοιχεία ημιαγωγών-μορφοτροπείς (θερμοστοιχεία, θερμοηλεκτρικές μονάδες), για παράδειγμα, όπως το TEC1-12706. Διαβάστε περισσότερα εδώ: Στοιχείο Peltier - πώς λειτουργεί και πώς γίνεται έλεγχος και σύνδεση