Seebeckov, Peltierjev in Thomsonov termoelektrični učinek
Delovanje termoelektričnih hladilnikov in generatorjev temelji na termoelektričnih pojavih. Sem spadajo učinki Seebeck, Peltier in Thomson. Ti učinki so povezani tako s pretvorbo toplotne energije v električno energijo kot s pretvorbo električne energije v hladno energijo.
Termoelektrične lastnosti žic so posledica povezav med toploto in električnim tokom:
- Seebeckov učinek — nastanek termo-EMF v verigi neravnih žic, pri različnih temperaturah njegovih odsekov;
- Peltierjev učinek - absorpcija ali sproščanje toplote na stiku dveh različnih prevodnikov, ko skozi njih teče enosmerni električni tok;
- Thomsonov učinek — absorpcija ali sproščanje toplote (super-Joule) v prostornini prevodnika pri prehodu skozi pol, električni tok ob prisotnosti temperaturnega gradienta.
Seebeckov, Peltierjev in Thompsonov učinek so med kinetičnimi pojavi. Povezani so s procesi gibanja naboja in energije, zato jih pogosto imenujemo pojavi prenosa.Usmerjene tokove naboja in energije v kristalu ustvarjajo in vzdržujejo zunanje sile: električno polje, temperaturni gradient.
Usmerjeni tok delcev (zlasti nosilcev naboja — elektroni in luknje) se pojavi tudi v prisotnosti koncentracijskega gradienta teh delcev. Magnetno polje samo po sebi ne ustvarja usmerjenih tokov naboja ali energije, ampak vpliva na tokove, ki jih ustvarjajo drugi zunanji vplivi.
Seebekov učinek
Seebeckov učinek je, da če v odprtem električnem krogu, sestavljenem iz več različnih vodnikov, eden od kontaktov vzdržuje temperaturo T1 (vroč spoj) in drugi temperaturo T2 (hladen spoj), potem pod pogojem, da T1 ni enak T2 na koncih se na tokokrogu pojavi termoelektromotorna sila E. Ko so kontakti sklenjeni, se v tokokrogu pojavi električni tok.
Seebekov učinek:
V prisotnosti temperaturnega gradienta v prevodniku pride do toplotnega difuzijskega toka nosilcev naboja od vročega konca do hladnega konca. Če je električni krog odprt, se na hladnem koncu kopičijo nosilci, ki ga naelektrijo negativno, če so to elektroni, in pozitivno v primeru luknjastega prevoda. V tem primeru nekompenzirani ionski naboj ostane na vročem koncu.
Nastalo električno polje upočasni gibanje nosilcev proti hladnemu koncu in pospeši gibanje nosilcev proti vročemu koncu. Neravnovesna porazdelitvena funkcija, ki jo tvori temperaturni gradient, se premakne pod delovanjem električnega polja in se do neke mere deformira. Nastala porazdelitev je takšna, da je tok enak nič. Moč električnega polja je sorazmerna s temperaturnim gradientom, ki ga je povzročil.
Vrednost faktorja sorazmernosti in njegov predznak sta odvisna od lastnosti materiala. Zaznavanje električnega Seebeckovega polja in merjenje termoelektromotorne sile je mogoče le v vezju, sestavljenem iz različnih materialov. Razlike v potencialnih stikih ustrezajo razliki v kemijskih potencialih materialov, ki pridejo v stik.
Peltierjev učinek
Peltierjev učinek je, da ko enosmerni tok teče skozi termočlen, sestavljen iz dveh prevodnikov ali polprevodnikov, se na kontaktni točki sprosti ali absorbira določena količina toplote (odvisno od smeri toka).
Ko se elektroni premaknejo iz materiala p-tipa v material n-tipa skozi električni kontakt, morajo premagati energijsko oviro in za to vzeti energijo iz kristalne mreže (hladnega spoja). Nasprotno pa pri prehodu iz materiala n-tipa v material p-tipa elektroni dajejo energijo mreži (vroč spoj).
Peltierjev učinek:
Thomsonov učinek
Thomsonov učinek je, da ko električni tok teče skozi prevodnik ali polprevodnik, v katerem se ustvari temperaturni gradient, se poleg Joulove toplote sprosti ali absorbira določena količina toplote (odvisno od smeri toka).
Fizični razlog za ta učinek je povezan z dejstvom, da je energija prostih elektronov odvisna od temperature. Takrat elektroni pridobijo večjo energijo v vroči spojini kot v hladni. Gostota prostih elektronov se prav tako povečuje z naraščajočo temperaturo, kar ima za posledico pretok elektronov iz vročega konca v hladen konec.
Pozitivni naboj se kopiči na vročem koncu, negativni naboj pa na hladnem. Prerazporeditev nabojev prepreči pretok elektronov in ga pri določeni potencialni razliki popolnoma ustavi.
Zgoraj opisani pojavi se dogajajo na podoben način v snoveh z luknjasto prevodnostjo, le da se negativni naboj kopiči na vročem koncu, pozitivno nabite luknje pa na hladnem koncu. Zato se za snovi z mešano prevodnostjo Thomsonov učinek izkaže za zanemarljivega.
Thomsonov učinek:
Thomsonov učinek ni našel praktične uporabe, vendar ga je mogoče uporabiti za določitev vrste prevodnosti nečistoč v polprevodnikih.
Praktična uporaba Seebeckovih in Peltierjevih učinkov
Termoelektrični pojavi: Seebeckov in Peltierjev učinek — najti praktično uporabo v brezstrojnih pretvornikih toplote v električno energijo — termoelektrični generatorji (TEG), v toplotnih črpalkah — hladilnih napravah, termostatih, klimatskih napravah, v merilnih in krmilnih sistemih, kot so temperaturni senzorji, toplotni tok (glej — Termoelektrični pretvorniki).
V središču termoelektričnih naprav so posebni polprevodniški elementi-pretvorniki (termoelementi, termoelektrični moduli), na primer TEC1-12706. Preberite več tukaj: Peltierjev element - kako deluje in kako preveriti in povezati