Термоэлектрдик кубулуштар физиканын өзүнчө темасы болуп саналат, анда температура кандайча электр тогун чыгара аларын, экинчиси температуранын өзгөрүшүнө алып келет. Биринчи ачылган термоэлектрдик кубулуштардын бири Зейбек эффектиси болгон.
Эффектти ачуу үчүн шарттар
1797-жылы италиялык физик Алессандро Вольта электр тармагында изилдөө жүргүзүп, таң калыштуу кубулуштардын бирин ачкан: ал эки катуу материал тийгенде, контакт аймагында потенциалдуу айырма пайда болорун ачкан. Бул байланыш айырмасы деп аталат. Физикалык жактан алганда, бул факт окшош эмес материалдардын контакт зонасы жабык чынжырда токтун пайда болушуна алып келиши мүмкүн болгон электр кыймылдаткыч күчкө (EMF) ээ экендигин билдирет. Эгерде азыр эки материал бир схемада туташтырылган болсо (алардын ортосунда эки байланыш түзүү үчүн), анда көрсөтүлгөн EMF алардын ар биринде пайда болот, ал чоңдугу боюнча бирдей, бирок белгиси боюнча карама-каршы болот. Акыркысы эмне үчүн ток жаралбагандыгын түшүндүрөт.
ЭМФтин пайда болушунун себеби - Ферминин (энергияэлектрондордун валенттик абалдары) ар кандай материалдарда. Акыркысы тийгенде Ферми деңгээли төмөндөйт (бир материалда төмөндөйт, экинчисинде жогорулайт). Бул процесс электрондордун контакт аркылуу өтүшүнө байланыштуу болот, бул EMF пайда болушуна алып келет.
Дароо белгилей кетүүчү нерсе, EMF мааниси анчалык деле чоң эмес (вольттун ондон бир бөлүгүнө чейин).
Томас Зейбектин ачылышы
Томас Зеебек (немец физиги) 1821-жылы, башкача айтканда, Вольт контакттык потенциалдар айырмасын ачкандан кийин 24 жыл өткөндөн кийин төмөнкү экспериментти жүргүзгөн. Висмут менен жезден жасалган табакчаны бириктирип, алардын жанына магниттик ийнени койду. Бул учурда, жогоруда айтылгандай, эч кандай ток болгон эмес. Бирок окумуштуу күйгүчтүн жалынын эки металлдын контакттарынын бирине алып келээри менен магниттик ийне айлана баштады.
Азыр биз ток өткөргүч тарабынан түзүлгөн Ампер күчү анын бурулушуна себеп болгонун билебиз, бирок ал кезде Зейбек муну билген эмес, ошондуктан металлдардын индукцияланган магниттелүүсү температуранын натыйжасында пайда болот деп жаңылыш ойлогон айырма.
Бул кубулуштун туура түшүндүрмөсү бир нече жылдан кийин даниялык физик Ганс Оерстед тарабынан берилген, ал сөз термоэлектрдик процесс жөнүндө болуп жатканын жана токтун жабык чынжыр аркылуу өтөт деп белгилеген. Ошого карабастан, Томас Зейбек ачкан термоэлектрдик эффект учурда анын фамилиясын алып жүрөт.
Учурдагы процесстердин физикасы
Дагы бир жолу материалды консолидациялоо үчүн: Зейбек эффектинин маңызы - индукциялоожабык чынжырды түзгөн ар кандай материалдардын эки контактынын ар кандай температураларын сактоонун натыйжасында электр тогу.
Бул системада эмне болуп жатканын жана эмне үчүн анда ток иштей баштаганын түшүнүү үчүн үч кубулуш менен таанышыңыз:
- Биринчиси буга чейин айтылган - бул Ферми деңгээлинин тегиздөөсүнөн улам контакт аймагындагы EMFтин дүүлүгүүсү. Материалдардагы бул деңгээлдеги энергия температуранын жогорулашы же төмөндөшү менен өзгөрөт. Акыркы факт, эгерде чынжырда эки контакт жабылса, токтун пайда болушуна алып келет (ар кандай температурадагы металлдардын контакт зонасында тең салмактуулук шарттары ар кандай болот).
- Зарядды алып жүрүүчүлөрдү ысык аймактардан муздак аймактарга жылдыруу процесси. Бул эффектти биз металлдардагы электрондор менен электрондордогу жана жарым өткөргүчтөрдөгү тешикчелер, биринчи жакындоодо идеалдуу газ катары каралышы мүмкүн экенин эстесек, түшүнүүгө болот. Белгилүү болгондой, акыркысы жабык көлөмдө ысытылганда басымды жогорулатат. Башкача айтканда, температура жогору болгон контакт зонасында электрон (тешик) газынын «басымы» да жогору, ошондуктан заряд алып жүрүүчүлөр материалдын муздак жерлерине, башкача айтканда, башка контактка барууга ыкташат.
- Акыры, Зейбек эффектинде токтун пайда болушуна алып келген дагы бир кубулуш – фонондордун (тор термелүүлөрдүн) заряд алып жүрүүчүлөр менен өз ара аракеттенүүсү. Кырдаал фонон сыяктуу көрүнөт, ысык түйүндөн муздак түйүнгө өтүп, электронду (тешикке) "уруп" жана ага кошумча энергия берет.
Үч процесс белгиленгеннатыйжада сүрөттөлгөн системада токтун пайда болушу аныкталат.
Бул термоэлектрдик кубулуш кандай сүрөттөлгөн?
Абдан жөнөкөй, бул үчүн алар белгилүү S параметрин киргизишет, ал Зеебек коэффициенти деп аталат. Параметр байланыштын температурасынын айырмасы 1 Кельвинге (Цельсий даражасына) барабар болсо, EMF мааниси индукцияланганын көрсөтөт. Башкача айтканда, сиз жаза аласыз:
S=ΔV/ΔT.
Бул жерде ΔV - чынжырдын ЭККсы (чыңалуу), ΔT - ысык жана муздак түйүндөрдүн ортосундагы температуранын айырмасы (байланыш зоналары). Бул формула болжолдуу түрдө туура, анткени S көбүнчө температурадан көз каранды.
Зебек коэффициентинин маанилери контактта болгон материалдардын мүнөзүнө жараша болот. Ошого карабастан, биз так айта алабыз, металл материалдары үчүн бул маанилер бирдиктерге жана ондогон мкВ/Кга барабар, ал эми жарым өткөргүчтөр үчүн жүздөгөн мкВ/К, башкача айтканда, жарым өткөргүчтөр металлдарга караганда чоңураак термоэлектрдик күчкө ээ.. Бул фактынын себеби жарым өткөргүчтөрдүн мүнөздөмөлөрүнүн температурага (өткөргүчтүк, заряд алып жүрүүчүлөрдүн концентрациясына) көбүрөөк көз карандылыгы болуп саналат.
Процесстин натыйжалуулугу
Жылуулуктун электр энергиясына өтүшүнүн таң калыштуу фактысы бул кубулушту колдонуу үчүн чоң мүмкүнчүлүктөрдү ачат. Ошентсе да, анын технологиялык пайдалануу үчүн, бир гана идеянын өзү эмес, ошондой эле сандык мүнөздөмөлөрү маанилүү болуп саналат. Биринчиден, көрсөтүлгөндөй, натыйжада EMF абдан аз. Бул көйгөйдү көп сандагы өткөргүчтөрдүн сериялык туташуусун колдонуу менен айланып өтүүгө болот (булПелтье клеткасында жасалат, ал төмөндө талкууланат).
Экинчиден, кеп термоэлектр энергиясын иштеп чыгуунун натыйжалуулугу. Жана бул суроо ушул күнгө чейин ачык бойдон калууда. Seebeck эффектинин эффективдүүлүгү өтө төмөн (болжол менен 10%). Башкача айтканда, жумшалган жылуулуктун ондон бир бөлүгү гана пайдалуу иштерди аткарууга жумшалат. Дүйнө жүзүндөгү көптөгөн лабораториялар бул эффективдүүлүктү жогорулатууга аракет кылып жатышат, муну жаңы муундагы материалдарды иштеп чыгуу, мисалы, нанотехнологияны колдонуу менен жасоого болот.
Seebeck тапкан эффектти колдонуу
Төмөн натыйжалуулугуна карабастан, ал дагы эле өз колдонулушун табат. Төмөндө негизги аймактар:
- Термопар. Зейбек эффектиси ар кандай объекттердин температурасын өлчөө үчүн ийгиликтүү колдонулат. Чынында, эки байланыш системасы термопара болуп саналат. Эгерде анын S коэффиценти жана учтарынын биринин температурасы белгилүү болсо, анда чынжырда пайда болгон чыңалууну өлчөө менен экинчи учундагы температураны эсептөөгө болот. Термопарлар ошондой эле нурлануучу (электромагниттик) энергиянын тыгыздыгын өлчөө үчүн колдонулат.
- Космостук зонддордо электр энергиясын өндүрүү. Күн системабызды изилдөө үчүн же андан тышкары жердеги электроникага күч берүү үчүн Зеебек эффектин колдонуу үчүн адам тарабынан ишке киргизилген зонддор. Бул радиациялык термоэлектрдик генератордун жардамы менен жасалды.
- Заманбап унааларда Seebeck эффектинин колдонулушу. BMW жана Volkswagen жарыялаштыалардын унааларында газ чыгаруучу түтүктөн бөлүнүп чыккан газдардын жылуулугун колдоно турган термоэлектр генераторлорунун пайда болушу.
Башка термоэлектрдик эффекттер
Үч термоэлектрдик эффект бар: Зейбек, Пелтье, Томсон. Биринчисинин маңызы буга чейин каралып келген. Пелтье эффектисине келсек, эгерде жогоруда талкууланган схема тышкы ток булагына туташтырылган болсо, ал бир контактты жылытуудан жана экинчисин муздатуудан турат. Башкача айтканда, Зейбек жана Пельтиер эффекттери карама-каршы.
Томсон эффектиси бирдей мүнөзгө ээ, бирок ал бир эле материалда каралат. Анын маңызы – ток өтүп жаткан өткөргүчтүн жылуулукту бөлүп чыгаруусу же жутуусу жана анын учтары ар кандай температурада сакталат.
Пелтиер клеткасы
Зебек эффекти менен термогенератордук модулдар үчүн патенттер жөнүндө сөз болгондо, албетте, алардын эсине биринчи Peltier клеткасы келет. Бул n жана p тибиндеги өткөргүчтөрдүн сериясынан биригип туташтырылган компакттуу түзүлүш (4х4х0,4 см). Сиз аны өзүңүз жасай аласыз. Зейбек жана Пельтиер эффекттери анын ишинин өзөгүн түзөт. Ал иштеген чыңалуулар жана токтар аз (3-5 В жана 0,5 А). Жогоруда айтылгандай, анын ишинин натыйжалуулугу өтө аз (≈10%).
Ал кружкадагы сууну жылытуу же муздатуу же уюлдук телефонду кайра заряддоо сыяктуу күнүмдүк иштерди чечүү үчүн колдонулат.
