Seebeck, Peltier ir Thomson termoelektriniai efektai

Termoelektrinių šaldytuvų ir generatorių veikimas pagrįstas termoelektriniais reiškiniais. Tai apima Seebeck, Peltier ir Thomson efektus. Šie poveikiai yra susiję tiek su šiluminės energijos pavertimu elektros energija, tiek su elektros energijos pavertimu šalta energija.

Laidų termoelektrines savybes lemia šilumos ir elektros srovių jungtys:

• Seebecko efektas – atsiradimas termo-EMF nelygių laidų grandinėje, esant skirtingoms jos sekcijų temperatūroms;
• Peltier efektas - šilumos sugėrimas arba išsiskyrimas dviejų skirtingų laidininkų sąlytyje, kai per juos teka nuolatinė elektros srovė;
• Tomsono efektas – šilumos (superdžaulio) sugėrimas arba išskyrimas laidininko tūryje, praeinant per polių, elektros srovė esant temperatūros gradientui.

Seebeck, Peltier ir Thompson efektai yra vieni iš kinetinių reiškinių. Jie susiję su krūvio ir energijos judėjimo procesais, todėl dažnai vadinami perdavimo reiškiniais.Kryvio ir energijos kryptinius srautus kristale sukuria ir palaiko išorinės jėgos: elektrinis laukas, temperatūros gradientas.

Kryptinis dalelių srautas (ypač krūvininkų – elektronai ir skylės) taip pat atsiranda esant šių dalelių koncentracijos gradientui. Pats magnetinis laukas nesukuria nukreiptų krūvio ar energijos srautų, bet veikia kitų išorinių poveikių sukurtus srautus.

Seebekovo efektas

Seebecko efektas yra tas, kad jei atviroje elektros grandinėje, susidedančioje iš kelių skirtingų laidininkų, vienas iš kontaktų palaiko temperatūrą T1 (karšta jungtis), o kitas - temperatūrą T2 (šalta sankryža), tada su sąlyga, kad T1 nėra lygus T2. galuose ant grandinės atsiranda termoelektrovaros jėga E. Uždarius kontaktus grandinėje atsiranda elektros srovė.

Seebekovo efektas:

Esant temperatūros gradientui laidininke, krūvininkų šiluminis difuzijos srautas vyksta nuo karštojo galo iki šaltojo galo. Jei elektros grandinė yra atvira, nešikliai kaupiasi šaltajame gale, įkraunantys jį neigiamai, jei tai elektronai, ir teigiamai, jei laidumas yra skylė. Tokiu atveju karštajame gale lieka nekompensuotas jonų krūvis.

Susidaręs elektrinis laukas sulėtina nešėjų judėjimą šaltojo galo link ir pagreitina nešėjų judėjimą karštojo galo link. Nepusiausvyros pasiskirstymo funkcija, kurią sudaro temperatūros gradientas, pasislenka veikiant elektriniam laukui ir tam tikru mastu deformuojasi. Gautas pasiskirstymas yra toks, kad srovė lygi nuliui. Elektrinio lauko stiprumas yra proporcingas jį sukėlusiam temperatūros gradientui.

Proporcingumo koeficiento reikšmė ir jo ženklas priklauso nuo medžiagos savybių. Aptikti elektrinį Seebeck lauką ir išmatuoti termoelektrovaros jėgą galima tik grandinėje, sudarytoje iš skirtingų medžiagų. Potencialių kontaktų skirtumai atitinka besiliečiančių medžiagų cheminių potencialų skirtumus.

Peltier efektas

Peltier efektas yra tas, kad nuolatinei srovei einant per termoporą, susidedančią iš dviejų laidininkų arba puslaidininkių, kontaktiniame taške išsiskiria arba sugeriamas tam tikras šilumos kiekis (priklausomai nuo srovės krypties).

Kai elektronai pereina iš p tipo medžiagos į n tipo medžiagą per elektrinį kontaktą, jie turi įveikti energijos barjerą ir paimti energiją iš kristalinės gardelės (šaltosios jungties). Ir atvirkščiai, pereidami nuo n-tipo medžiagos prie p-tipo medžiagos, elektronai atiduoda energiją gardelei (karštoji jungtis).

Peltier efektas:

Tomsono efektas

Tomsono efektas yra tas, kad elektros srovei tekant laidininku ar puslaidininkiu, kuriame susidaro temperatūros gradientas, be Džaulio šilumos išsiskiria arba sugeria tam tikras šilumos kiekis (priklausomai nuo srovės krypties).

Fizinė šio poveikio priežastis yra susijusi su tuo, kad laisvųjų elektronų energija priklauso nuo temperatūros. Tada karštame junginyje elektronai įgyja didesnę energiją nei šaltame. Laisvųjų elektronų tankis taip pat didėja didėjant temperatūrai, todėl elektronai teka iš karštojo galo į šaltąjį.

Teigiamas krūvis kaupiasi karštajame, o neigiamas – šaltajame. Krūvių perskirstymas užkerta kelią elektronų srautui ir, esant tam tikram potencialų skirtumui, jį visiškai sustabdo.

Aukščiau aprašyti reiškiniai panašiai vyksta medžiagose su skylutiniu laidumu, vienintelis skirtumas yra tas, kad neigiamas krūvis kaupiasi karštajame, o teigiamai įkrautos skylės šaltajame. Todėl mišraus laidumo medžiagoms Thomsono efektas yra nereikšmingas.

Tomsono efektas:

Tomsono efektas nerado praktinio pritaikymo, tačiau jis gali būti naudojamas puslaidininkių priemaišų laidumo tipui nustatyti.

Praktinis Seebeck ir Peltier efektų panaudojimas

Termoelektriniai reiškiniai: Seebeck ir Peltier efektai – raskite praktinį pritaikymą be mašinų šilumos į elektros energijos keitiklius. termoelektriniai generatoriai (TEG), šilumos siurbliuose – aušinimo įrenginiuose, termostatuose, oro kondicionieriuose, matavimo ir valdymo sistemose, tokiose kaip temperatūros jutikliai, šilumos srautas (žr. Termoelektriniai keitikliai).

Termoelektrinių prietaisų centre yra specialūs puslaidininkiniai elementai-keitikliai (termoelementai, termoelektriniai moduliai), pavyzdžiui, tokie kaip TEC1-12706. Daugiau skaitykite čia: Peltier elementas – kaip jis veikia ir kaip patikrinti bei prijungti