Dukuritë termoelektrike janë një temë më vete në fizikë, në të cilën ata konsiderojnë se si temperatura mund të gjenerojë energji elektrike dhe këto të fundit çojnë në një ndryshim të temperaturës. Një nga fenomenet e para termoelektrike të zbuluara ishte efekti Seebeck.
Parakushtet për hapjen e efektit
Në vitin 1797, fizikani italian Alessandro Volta, duke kryer kërkime në fushën e energjisë elektrike, zbuloi një nga fenomenet mahnitëse: ai zbuloi se kur dy materiale të ngurta vijnë në kontakt, një ndryshim potencial shfaqet në zonën e kontaktit. Quhet dallimi i kontaktit. Fizikisht, ky fakt do të thotë që zona e kontaktit të materialeve të ndryshme ka një forcë elektromotore (EMF) që mund të çojë në shfaqjen e një rryme në një qark të mbyllur. Nëse tani dy materiale janë të lidhura në një qark (për të formuar dy kontakte midis tyre), atëherë në secilën prej tyre do të shfaqet EMF e specifikuar, e cila do të jetë e njëjtë në madhësi, por e kundërta në shenjë. Kjo e fundit shpjegon pse nuk gjenerohet rrymë.
Arsyeja e shfaqjes së EMF është një nivel i ndryshëm i Fermit (energjigjendjet valore të elektroneve) në materiale të ndryshme. Kur këto të fundit bien në kontakt, niveli i Fermit ulet (në një material zvogëlohet, në një tjetër rritet). Ky proces ndodh për shkak të kalimit të elektroneve përmes kontaktit, gjë që çon në shfaqjen e një EMF.
Duhet të theksohet menjëherë se vlera e EMF është e papërfillshme (në rendin e disa të dhjetave të voltit).
Zbulimi i Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (fizikan gjerman) në 1821, pra 24 vjet pas zbulimit të ndryshimit të potencialit të kontaktit nga Volt, kreu eksperimentin e mëposhtëm. Ai lidhi një pjatë me bismut dhe bakër dhe vendosi një gjilpërë magnetike pranë tyre. Në këtë rast, siç u përmend më lart, nuk ka ndodhur asnjë rrymë. Por sapo shkencëtari solli flakën e djegësit në një nga kontaktet e dy metaleve, gjilpëra magnetike filloi të rrotullohej.
Tani ne e dimë se forca e Amperit e krijuar nga përcjellësi mbajtës i rrymës e bëri atë të kthehej, por në atë kohë Seebeck nuk e dinte këtë, kështu që ai gabimisht supozoi se magnetizimi i shkaktuar i metaleve ndodh si rezultat i temperaturës ndryshim.
Shpjegimi i saktë për këtë fenomen u dha disa vite më vonë nga fizikani danez Hans Oersted, i cili theksoi se po flasim për një proces termoelektrik dhe një rrymë rrjedh nëpër një qark të mbyllur. Megjithatë, efekti termoelektrik i zbuluar nga Thomas Seebeck tani mban mbiemrin e tij.
Fizika e proceseve në vazhdim
Edhe një herë për të konsoliduar materialin: thelbi i efektit Seebeck është të nxisërryma elektrike si rezultat i mbajtjes së temperaturave të ndryshme të dy kontakteve të materialeve të ndryshme, të cilat formojnë një qark të mbyllur.
Për të kuptuar se çfarë ndodh në këtë sistem dhe pse rryma fillon të rrjedhë në të, duhet të njiheni me tre fenomene:
- E para është përmendur tashmë - ky është ngacmimi i EMF në rajonin e kontaktit për shkak të shtrirjes së niveleve Fermi. Energjia e këtij niveli në materiale ndryshon me rritjen ose uljen e temperaturës. Fakti i fundit do të çojë në shfaqjen e një rryme nëse dy kontakte mbyllen në një qark (kushtet e ekuilibrit në zonën e kontaktit të metaleve në temperatura të ndryshme do të jenë të ndryshme).
- Procesi i lëvizjes së transportuesve të karikimit nga zonat e nxehta në ato të ftohta. Ky efekt mund të kuptohet nëse kujtojmë se elektronet në metale dhe elektronet dhe vrimat në gjysmëpërçuesit, në përafrimin e parë, mund të konsiderohen si një gaz ideal. Siç dihet, kjo e fundit, kur nxehet në një vëllim të mbyllur, rrit presionin. Me fjalë të tjera, në zonën e kontaktit, ku temperatura është më e lartë, "presioni" i gazit të elektronit (vrimës) është gjithashtu më i lartë, kështu që transportuesit e ngarkesës priren të shkojnë në zona më të ftohta të materialit, domethënë në një kontakt tjetër.
- Më në fund, një fenomen tjetër që çon në shfaqjen e rrymës në efektin Seebeck është ndërveprimi i fononeve (dridhjet e rrjetës) me transportuesit e ngarkesës. Situata duket si një fonon, duke lëvizur nga një kryqëzim i nxehtë në një kryqëzim të ftohtë, "godit" një elektron (vrimë) dhe i jep energji shtesë.
Shënoi tre procesesi rezultat, është përcaktuar shfaqja e rrymës në sistemin e përshkruar.
Si përshkruhet ky fenomen termoelektrik?
Shumë e thjeshtë, për këtë ata prezantojnë një parametër të caktuar S, i cili quhet koeficienti Seebeck. Parametri tregon nëse vlera EMF induktohet nëse diferenca e temperaturës së kontaktit mbahet e barabartë me 1 Kelvin (gradë Celsius). Kjo do të thotë, ju mund të shkruani:
S=ΔV/ΔT.
Këtu ΔV është EMF e qarkut (tensioni), ΔT është diferenca e temperaturës midis kryqëzimeve të nxehta dhe të ftohta (zonat e kontaktit). Kjo formulë është vetëm afërsisht e saktë, pasi S në përgjithësi varet nga temperatura.
Vlerat e koeficientit Seebeck varen nga natyra e materialeve në kontakt. Sidoqoftë, mund të themi patjetër se për materialet metalike këto vlera janë të barabarta me njësi dhe dhjetëra μV/K, ndërsa për gjysmëpërçuesit janë qindra μV/K, domethënë, gjysmëpërçuesit kanë një rend të madhësisë forcë termoelektrike më të madhe se metalet.. Arsyeja për këtë fakt është një varësi më e fortë e karakteristikave të gjysmëpërçuesve nga temperatura (përçueshmëria, përqendrimi i bartësve të ngarkesës).
Efiçenca e procesit
Fakti befasues i transferimit të nxehtësisë në energji elektrike hap mundësi të mëdha për zbatimin e këtij fenomeni. Sidoqoftë, për përdorimin e saj teknologjik, jo vetëm vetë ideja është e rëndësishme, por edhe karakteristikat sasiore. Së pari, siç është treguar, emf-i që rezulton është mjaft i vogël. Ky problem mund të anashkalohet duke përdorur një lidhje serike të një numri të madh përcjellësish (të cilëtbëhet në qelizën Peltier, e cila do të diskutohet më poshtë).
Së dyti, është një çështje e efikasitetit të prodhimit të energjisë termoelektrike. Dhe kjo pyetje mbetet e hapur edhe sot e kësaj dite. Efikasiteti i efektit Seebeck është jashtëzakonisht i ulët (rreth 10%). Kjo do të thotë, nga e gjithë nxehtësia e shpenzuar, vetëm një e dhjeta e saj mund të përdoret për të kryer punë të dobishme. Shumë laboratorë në mbarë botën po përpiqen të rrisin këtë efikasitet, gjë që mund të bëhet duke zhvilluar materiale të gjeneratës së re, për shembull, duke përdorur nanoteknologjinë.
Përdorimi i efektit të zbuluar nga Seebeck
Megjithë efikasitetin e ulët, ai ende gjen përdorim. Më poshtë janë fushat kryesore:
- Termoçift. Efekti Seebeck përdoret me sukses për të matur temperaturat e objekteve të ndryshme. Në fakt, një sistem me dy kontakte është një termoelement. Nëse dihet koeficienti i tij S dhe temperatura e njërit prej skajeve, atëherë duke matur tensionin që ndodh në qark, mund të llogaritet temperatura e skajit tjetër. Termoçiftet përdoren gjithashtu për të matur densitetin e energjisë rrezatuese (elektromagnetike).
- Gjenerimi i energjisë elektrike në sondat hapësinore. Sondat e lëshuara nga njeriu për të eksploruar sistemin tonë diellor ose më gjerë përdorin efektin Seebeck për të fuqizuar elektronikën në bord. Kjo është bërë falë një gjeneratori termoelektrik rrezatimi.
- Zbatimi i efektit Seebeck në makinat moderne. Njoftuan BMW dhe Volkswagenshfaqja në makinat e tyre të gjeneratorëve termoelektrikë që do të përdorin nxehtësinë e gazrave të emetuar nga tubi i shkarkimit.
Efekte të tjera termoelektrike
Ka tre efekte termoelektrike: Seebeck, Peltier, Thomson. Thelbi i të parës tashmë është konsideruar. Sa i përket efektit Peltier, ai konsiston në ngrohjen e njërit kontakt dhe ftohjen e tjetrit, nëse qarku i diskutuar më sipër është i lidhur me një burim të jashtëm të rrymës. Kjo do të thotë, efektet Seebeck dhe Peltier janë të kundërta.
Efekti Thomson ka të njëjtën natyrë, por konsiderohet në të njëjtin material. Thelbi i tij është çlirimi ose thithja e nxehtësisë nga një përcjellës përmes të cilit rrjedh rryma dhe skajet e të cilit mbahen në temperatura të ndryshme.
Qeliza Peltier
Kur flasim për patentat për modulet termogjeneratorë me efektin Seebeck, atëherë, sigurisht, gjëja e parë që kujtojnë është qeliza Peltier. Është një pajisje kompakte (4x4x0.4 cm) e bërë nga një seri përçuesish të tipit n dhe p të lidhur në seri. Ju mund ta bëni vetë. Efektet Seebeck dhe Peltier janë në qendër të punës së saj. Tensionet dhe rrymat me të cilat punon janë të vogla (3-5 V dhe 0,5 A). Siç u përmend më lart, efikasiteti i punës së tij është shumë i vogël (≈10%).
Përdoret për të zgjidhur detyra të tilla të përditshme si ngrohja ose ftohja e ujit në një filxhan ose rimbushja e një telefoni celular.
