თერმოელექტრული ფენომენები ცალკე თემაა ფიზიკაში, სადაც ისინი განიხილავენ, თუ როგორ შეუძლია ტემპერატურას ელექტროენერგიის გამომუშავება და ეს უკანასკნელი იწვევს ტემპერატურის ცვლილებას. ერთ-ერთი პირველი აღმოჩენილი თერმოელექტრული ფენომენი იყო ზიბეკის ეფექტი.
ეფექტის გახსნის წინაპირობები
1797 წელს იტალიელმა ფიზიკოსმა ალესანდრო ვოლტამ, რომელიც ატარებდა კვლევას ელექტროენერგიის სფეროში, აღმოაჩინა ერთ-ერთი საოცარი ფენომენი: მან აღმოაჩინა, რომ როდესაც ორი მყარი მასალა შედის კონტაქტში, პოტენციური განსხვავება ჩნდება კონტაქტის ზონაში. მას კონტაქტურ განსხვავებას უწოდებენ. ფიზიკურად, ეს ფაქტი ნიშნავს, რომ განსხვავებული მასალების საკონტაქტო ზონას აქვს ელექტრომოძრავი ძალა (EMF), რამაც შეიძლება გამოიწვიოს დენის გამოჩენა დახურულ წრეში. თუ ახლა ორი მასალა დაკავშირებულია ერთ წრეში (მათ შორის ორი კონტაქტის შესაქმნელად), მაშინ თითოეულ მათგანზე გამოჩნდება მითითებული EMF, რომელიც იქნება იგივე სიდიდით, მაგრამ საპირისპირო ნიშნით. ეს უკანასკნელი განმარტავს, თუ რატომ არ წარმოიქმნება დენი.
EMF-ის გამოჩენის მიზეზი არის ფერმის განსხვავებული დონე (ენერგიაელექტრონების ვალენტურ მდგომარეობას) სხვადასხვა მასალებში. როდესაც ეს უკანასკნელი შედის კონტაქტში, ფერმის დონე იკლებს (ერთ მასალაში მცირდება, მეორეში იზრდება). ეს პროცესი ხდება კონტაქტის მეშვეობით ელექტრონების გავლის გამო, რაც იწვევს EMF-ის გაჩენას.
დაუყოვნებლივ უნდა აღინიშნოს, რომ EMF მნიშვნელობა უმნიშვნელოა (ვოლტის რამდენიმე მეათედი რიგით).
თომას ზიბეკის აღმოჩენა
თომას ზებეკმა (გერმანელი ფიზიკოსი) 1821 წელს, ანუ ვოლტის მიერ საკონტაქტო პოტენციალის სხვაობის აღმოჩენიდან 24 წლის შემდეგ, ჩაატარა შემდეგი ექსპერიმენტი. მან დააკავშირა ბისმუტისა და სპილენძის ფირფიტა და მათ გვერდით მოათავსა მაგნიტური ნემსი. ამ შემთხვევაში, როგორც ზემოთ აღინიშნა, დენი არ მომხდარა. მაგრამ როგორც კი მეცნიერმა სანთურის ალი მიიტანა ორი ლითონის ერთ-ერთ კონტაქტთან, მაგნიტურმა ნემსმა ბრუნვა დაიწყო.
ახლა ჩვენ ვიცით, რომ დენის გამტარის მიერ შექმნილმა ამპერის ძალამ გამოიწვია მისი შემობრუნება, მაგრამ იმ დროს ზიბეკმა ეს არ იცოდა, ამიტომ მან შეცდომით ჩათვალა, რომ ლითონების ინდუცირებული მაგნიტიზაცია ხდება ტემპერატურის შედეგად. განსხვავება.
ამ ფენომენის სწორი ახსნა რამდენიმე წლის შემდეგ მისცა დანიელმა ფიზიკოსმა ჰანს ოერსტედმა, რომელმაც აღნიშნა, რომ საუბარია თერმოელექტრო პროცესზე და დენი გადის დახურულ წრეში. მიუხედავად ამისა, თომას ზებეკის მიერ აღმოჩენილი თერმოელექტრული ეფექტი ამჟამად მის გვარს ატარებს.
მიმდინარე პროცესების ფიზიკა
კიდევ ერთხელ მასალის კონსოლიდაცია: ზიბეკის ეფექტის არსი არის გამოწვევაელექტრული დენი სხვადასხვა მასალის ორი კონტაქტის სხვადასხვა ტემპერატურის შენარჩუნების შედეგად, რომლებიც ქმნიან დახურულ წრეს.
იმისათვის, რომ გაიგოთ რა ხდება ამ სისტემაში და რატომ იწყებს მასში დენი გაშვებას, უნდა გაეცნოთ სამ ფენომენს:
- პირველი უკვე აღინიშნა - ეს არის EMF-ის აგზნება საკონტაქტო რეგიონში ფერმის დონეების გასწორების გამო. ამ დონის ენერგია მასალებში იცვლება ტემპერატურის მატებასთან ან დაცემასთან ერთად. ეს უკანასკნელი ფაქტი გამოიწვევს დენის გაჩენას, თუ წრეში ჩაკეტილია ორი კონტაქტი (სხვადასხვა ტემპერატურაზე ლითონების შეხების ზონაში წონასწორობის პირობები განსხვავებული იქნება).
- მუხტის მატარებლების გადაადგილების პროცესი ცხელიდან ცივ რეგიონებში. ეს ეფექტი შეიძლება გავიგოთ, თუ გავიხსენებთ, რომ ელექტრონები ლითონებში და ელექტრონები და ხვრელები ნახევარგამტარებში შეიძლება, პირველი მიახლოებით, ჩაითვალოს იდეალურ გაზად. როგორც ცნობილია, ეს უკანასკნელი დახურულ მოცულობაში გაცხელებისას ზრდის წნევას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კონტაქტის ზონაში, სადაც ტემპერატურა უფრო მაღალია, ელექტრონის (ხვრელის) გაზის „წნევაც“უფრო მაღალია, ამიტომ მუხტის მატარებლები მიდრეკილნი არიან მასალის უფრო ცივ ადგილებში, ანუ სხვა კონტაქტზე.
- დაბოლოს, კიდევ ერთი ფენომენი, რომელიც იწვევს დენის გამოჩენას ზიბეკის ეფექტში, არის ფონონების (გისოსის ვიბრაციები) ურთიერთქმედება მუხტის მატარებლებთან. სიტუაცია ჰგავს ფონონს, რომელიც გადადის ცხელი შეერთებიდან ცივ შეერთებაზე, „ურტყამს“ელექტრონს (ხვრელს) და დამატებით ენერგიას ანიჭებს მას.
მონიშნა სამი პროცესიშედეგად, განისაზღვრება დენის წარმოქმნა აღწერილ სისტემაში.
როგორ არის აღწერილი ეს თერმოელექტრული ფენომენი?
ძალიან მარტივია, ამისთვის შემოიღებენ გარკვეულ პარამეტრს S, რომელსაც ეწოდება Seebeck კოეფიციენტი. პარამეტრი გვიჩვენებს, არის თუ არა EMF მნიშვნელობა გამოწვეული, თუ კონტაქტის ტემპერატურის სხვაობა შენარჩუნებულია 1 კელვინის (გრადუს ცელსიუსი) ტოლი. ანუ შეგიძლიათ დაწეროთ:
S=ΔV/ΔT.
აქ ΔV არის მიკროსქემის EMF (ძაბვა), ΔT არის ტემპერატურის სხვაობა ცხელ და ცივ შეერთებებს (კონტაქტის ზონებს) შორის. ეს ფორმულა მხოლოდ დაახლოებით სწორია, რადგან S ზოგადად ტემპერატურაზეა დამოკიდებული.
Seebeck კოეფიციენტის მნიშვნელობები დამოკიდებულია კონტაქტში მყოფი მასალების ბუნებაზე. მიუხედავად ამისა, დანამდვილებით შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მეტალის მასალებისთვის ეს მნიშვნელობები უდრის ერთეულებს და ათეულებს μV/K, ხოლო ნახევარგამტარებისთვის ეს არის ასობით μV/K, ანუ ნახევარგამტარებს აქვთ სიდიდის რიგით მეტი თერმოელექტრული ძალა, ვიდრე ლითონები.. ამის მიზეზი არის ნახევარგამტარების მახასიათებლების უფრო ძლიერი დამოკიდებულება ტემპერატურაზე (გამტარობა, მუხტის მატარებლების კონცენტრაცია).
პროცესის ეფექტურობა
სითბოს ელექტროენერგიაში გადაცემის გასაკვირი ფაქტი ხსნის ამ ფენომენის გამოყენების დიდ შესაძლებლობებს. მიუხედავად ამისა, მისი ტექნოლოგიური გამოყენებისთვის მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ თავად იდეა, არამედ რაოდენობრივი მახასიათებლებიც. პირველი, როგორც ნაჩვენებია, შედეგად მიღებული ემფ საკმაოდ მცირეა. ამ პრობლემის თავიდან აცილება შესაძლებელია დიდი რაოდენობით დირიჟორების სერიული კავშირის გამოყენებით (რომელიცკეთდება პელტიეს უჯრედში, რომელიც ქვემოთ იქნება განხილული).
მეორე, საქმე ეხება თერმოელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობას. და ეს კითხვა დღემდე ღიად რჩება. Seebeck ეფექტის ეფექტურობა უკიდურესად დაბალია (დაახლოებით 10%). ანუ მთელი დახარჯული სითბოდან მხოლოდ ერთი მეათედი შეიძლება გამოიყენოს სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად. ბევრი ლაბორატორია მთელს მსოფლიოში ცდილობს გაზარდოს ეს ეფექტურობა, რაც შეიძლება გაკეთდეს ახალი თაობის მასალების შემუშავებით, მაგალითად, ნანოტექნოლოგიის გამოყენებით.
ზებეკის მიერ აღმოჩენილი ეფექტის გამოყენება
მიუხედავად დაბალი ეფექტურობისა, ის მაინც პოულობს გამოყენებას. ქვემოთ მოცემულია ძირითადი სფეროები:
- თერმოწყვილი. Seebeck ეფექტი წარმატებით გამოიყენება სხვადასხვა ობიექტების ტემპერატურის გასაზომად. სინამდვილეში, ორი კონტაქტის სისტემა არის თერმოწყვილი. თუ ცნობილია მისი კოეფიციენტი S და ერთ-ერთი ბოლოს ტემპერატურა, მაშინ წრეში წარმოქმნილი ძაბვის გაზომვით შესაძლებელია მეორე ბოლოს ტემპერატურის გამოთვლა. თერმოწყვილები ასევე გამოიყენება გამოსხივების (ელექტრომაგნიტური) ენერგიის სიმკვრივის გასაზომად.
- ელექტროენერგიის გამომუშავება კოსმოსურ ზონდებზე. ადამიანის მიერ გაშვებული ზონდები ჩვენი მზის სისტემის შესასწავლად ან მის ფარგლებს გარეთ იყენებენ Seebeck-ის ეფექტს ბორტზე ელექტრონიკის გასაძლიერებლად. ეს კეთდება რადიაციის თერმოელექტრული გენერატორის წყალობით.
- ზებეკის ეფექტის გამოყენება თანამედროვე მანქანებში. BMW-მ და Volkswagen-მა განაცხადესმათ მანქანებში თერმოელექტრული გენერატორების გამოჩენა, რომლებიც გამოიყენებენ გამონაბოლქვი მილიდან გამოყოფილ აირების სითბოს.
სხვა თერმოელექტრული ეფექტები
არსებობს სამი თერმოელექტრული ეფექტი: Seebeck, Peltier, Thomson. პირველის არსი უკვე განიხილება. რაც შეეხება პელტიეს ეფექტს, ის შედგება ერთი კონტაქტის გათბობაში და მეორის გაგრილებაში, თუ ზემოთ განხილული წრე დაკავშირებულია გარე დენის წყაროსთან. ანუ, ზებეკის და პელიტის ეფექტები საპირისპიროა.
თომსონის ეფექტს აქვს იგივე ბუნება, მაგრამ ის განიხილება იმავე მასალაზე. მისი არსი არის სითბოს გამოყოფა ან შთანთქმა გამტარის მიერ, რომლის მეშვეობითაც დენი მიედინება და რომლის ბოლოები შენარჩუნებულია სხვადასხვა ტემპერატურაზე.
Peltier უჯრედი
როცა საუბრისას თერმოგენერატორის მოდულების პატენტებზე ზებეკის ეფექტით, მაშინ, რა თქმა უნდა, პირველი, რაც მათ ახსოვს, არის პელტიეს უჯრედი. ეს არის კომპაქტური მოწყობილობა (4x4x0.4 სმ), რომელიც დამზადებულია n- და p-ტიპის გამტარებლების სერიისგან, რომლებიც დაკავშირებულია სერიაში. თქვენ თვითონ შეგიძლიათ გააკეთოთ ის. Seebeck და Peltier ეფექტები არის მისი მუშაობის ცენტრში. ძაბვები და დენები, რომლითაც ის მუშაობს, მცირეა (3-5 ვ და 0,5 ა). როგორც ზემოთ აღინიშნა, მისი მუშაობის ეფექტურობა ძალიან მცირეა (≈10%).
გამოიყენება ისეთი ყოველდღიური ამოცანების გადასაჭრელად, როგორიცაა წყლის გათბობა ან გაგრილება ფინჯანში ან მობილური ტელეფონის დატენვა.
