Термоелектричні явища являють собою окрему тему у фізиці, в якій розглядають, як температура може породжувати електрика, а останнім вести до зміни температури. Одним з перших відкритих термоелектричних явищ став ефект Зеєбека.
Передумови відкриття ефекту
У 1797 році італійський фізик Алессандро Вольта, проводячи дослідження в області електрики, відкрив одне з дивовижних явищ: він виявив, що при контакті двох твердих матеріалів в області контакту з’являється різниця потенціалів. Вона отримала назву контактної різниці. Фізично цей факт означає, що зона зіткнення різнорідних матеріалів має електрорушійної силою (ЕРС), здатної призвести до появи струму в замкнутому ланцюзі. Якщо тепер з’єднати в один ланцюг два матеріалу (сформувати два контакти між ними), то на кожному з них з’явиться зазначена ЕРС, яка буде однакова по модулю, але протилежна за знаком. Останнє пояснює, чому не виникає ніякого струму.
Причиною появи ЕРС є різний рівень Фермі (енергії валентних станів електронів) в різних матеріалах. При зіткненні останніх рівень Фермі вирівнюється (в одному матеріалі знижується, в іншому – підвищується). Цей процес відбувається за рахунок переходу електронів через контакт, що і призводить до появи ЕРС.
Відразу слід зазначити, що величина ЕРС є незначною (порядку декількох десятих вольта).
Відкриття Томаса Зеєбека
Томас Зеєбек (німецький фізик) у 1821 році, тобто через 24 роки після виявлення Вольт контактної різниці потенціалів, провів наступний досвід. Він поєднав пластину вісмуту і міді, а поруч з ними розташував магнітну стрілку. У цьому випадку, як вище було сказано, що ніякого струму не виникало. Але варто було вченому піднести полум’я пальника до одного з контактів двох металів, як магнітна стрілка почала повертатися.
Тепер ми знаємо, що причиною її повороту стала сила Ампера, створювана провідником з струмом, але на той час Зеєбек цього не знав, тому він помилково припустив, що виникає індукована намагніченість металів внаслідок різниці температури.
Правильне пояснення цьому явищу було дано кілька років пізніше датським фізиком Хансом Эрстедом, який вказав, що мова йде саме про термоелектричному процесі, і по замкнутій ланцюга йде струм. Тим не менш відкритий Томасом Зеебеком термоелектричний ефект в даний час носить його прізвище.
Фізика процесів, що відбуваються
Ще раз для закріплення матеріалу: суть ефекту Зеєбека полягає в індукуванні електричного струму в результаті підтримки різної температури двох контактів різних матеріалів, які утворюють замкнуту ланцюг.
Щоб зрозуміти, що відбувається в зазначеній системі, і чому у неї починає бігти струм, слід познайомитися з трьома явищами:
- Про першого вже було згадано – це збудження ЕРС в області контакту через вирівнювання рівнів Фермі. Енергія цього рівня в матеріалах змінюється при підвищенні або зниженні температури. Останній факт призведе до появи струму, якщо замкнути два контакти в ланцюг (умови рівноваги в зоні зіткнення металів при різних температурах будуть різними).
- Процес переміщення носіїв заряду з гарячих областей у холодні. Цей ефект можна зрозуміти, якщо згадати, що електрони в металах електрони і дірки в напівпровідниках в першому наближенні можна вважати ідеальним газом. Як відомо, останній при нагріванні в замкнутому об’ємі збільшує тиск. Іншими словами, в зоні контакту, де температура вище, “тиск” електронного (діркового) газу теж вище, тому носії заряду прагнуть піти в більш холодні області матеріалу, тобто до іншого контакту.
- Нарешті, ще одне явище, яке приводить до появи струму в ефекті Зеєбека, це взаємодія фононів (граткових коливань) з носіями заряду. Ситуація виглядає таким чином, ніби фонон, рухаючись від гарячого спаю до холодного, “вдаряє” про електрон (дірку) і повідомляє йому додаткову енергію.
Зазначені три процесу в підсумку визначають виникнення струму в описаній системі.
Як описують це термоелектричне явище?
Дуже просто, для цього вводять якийсь параметр S, який отримав назву коефіцієнта Зеєбека. Параметр показує, ЕРС величини індукується, якщо підтримується різниця температур контактів рівна 1 K (градусу Цельсія). Тобто можна записати:
S = ΔV/ΔT.
Тут ΔV – ЕРС ланцюга (напруга), ΔT – різниця температур гарячого і холодного спаїв (зон контакту). Ця формула є лише наближено вірною, оскільки S в загальному випадку залежить від температури.
Значення коефіцієнта Зеєбека залежать від природи матеріалів, що вступили в контакт. Тим не менш однозначно можна сказати, що для металевих матеріалів ці значення дорівнюють одиницям і десяткам мкВ/К, у той час як для напівпровідників вони складають сотні мкВ/К, тобто напівпровідники мають на порядок більшою термоелектричної силою, ніж метали. Причиною цього факту є більш сильна залежність характеристик напівпровідників від температури (провідність, концентрація носіїв заряду).
ККД процесу
Дивовижний факт переведення теплоти у електрика відкриває великі можливості для застосування цього явища. Тим не менше для його технологічного використання важлива не тільки сама ідея, але і кількісні характеристики. По-перше, як було показано, виникає ЕРС є досить малою. Цю проблему можна вирішити, якщо використовувати послідовне з’єднання великого числа провідників (що й робиться у клітинці Пельтьє, мова про яку піде нижче).
По-друге, це питання ефективності генерації термоелектрики. І це питання залишається відкритим донині. ККД ефекту Зеєбека є надзвичайно низьким (близько 10 %). Тобто з усього витраченого тепла лише одну десяту його можна буде використовувати для здійснення корисної роботи. Багато лабораторій у всьому світі намагаються підняти цей ККД, що можна зробити, розробивши матеріали нового покоління, наприклад, за допомогою нанотехнологій.
Використання ефекту, відкритого Зеебеком
Незважаючи на низький ККД, він все ж знаходить своє застосування. Нижче перелічимо основні з областей:
- Термопара. Ефект Зеєбека з успіхом використовують для вимірювання температур різних об’єктів. По суті, система з двох контактів – це і є термопара. Якщо відомий її коефіцієнт S і температура одного з кінців, то, вимірюючи напругу, яка виникає в ланцюзі, можна обчислити температуру іншого кінця. Термопари також застосовують для вимірювання щільності променистої (електромагнітної) енергії.
- Генерація електрики на космічних зондах. Запускаються людиною зонди для дослідження нашої Сонячної системи або космосу за її межами використовують ефект Зеєбека для харчування електроніки, що знаходиться на їх борту. Здійснюється це завдяки радіаційного термоелектричних генераторів.
- Застосування ефекту Зеєбека в сучасних автомобілях. Компанії BMW і Volkswagen заявили про появу в їх автомобілях термоелектричних генераторів, які будуть використовувати тепло газів, що викидаються з вихлопної труби.
Інші термоелектричні ефекти
Існують три термоелектричних ефекту: Зеєбека, Пельтьє, Томсона. Суть першого вже була розглянута. Що стосується ефекту Пельтьє, то він полягає в нагріванні одного контакту і охолодженні іншого, якщо розглянуту вище ланцюг приєднати до зовнішнього джерела струму. Тобто ефекти Зеєбека і Пельтьє є протилежними.
Ефект Томсона має ту ж природу, проте він розглядається на одному матеріалі. Його суть полягає у виділення або поглинання тепла провідником, по якому тече струм і кінці якого підтримуються при різних температурах.
Осередок Пельтьє
Коли говорять про петентах на термо генераторні модулі з ефектом Зеєбека, то, звичайно ж, найперше згадують про клітинку Пельтьє. Вона являє собою компактний пристрій (4x4x0,4 см), виготовлене з ряду послідовно з’єднаних провідників n – і p-типу. Виготовити її можна своїми руками. Ефекти Зеєбека і Пельтьє лежать в основі її роботи. Напруги і струми, з якими вона працює, невеликі (3-5 і 0,5 A). Як було сказано вище, ККД її роботи дуже маленький (≈10 %).
Застосовується вона для вирішення побутових завдань, як нагрівання або охолодження води в гуртку або підзарядка мобільного телефону.
