Seebeck, Peltier és Thomson termoelektromos hatások

A termoelektromos hűtők és generátorok működése termoelektromos jelenségeken alapul. Ezek közé tartozik a Seebeck, Peltier és Thomson effektus. Ezek a hatások mind a hőenergia elektromos energiává, mind a villamos energia hidegenergiává történő átalakításával kapcsolatosak.

A vezetékek termoelektromos tulajdonságai a hő és az elektromos áram közötti kapcsolatoknak köszönhetők:

• Seebeck-effektus – megjelenés termo-EMF egyenetlen vezetékek láncában, szakaszainak különböző hőmérsékletén;
• Peltier-effektus – hő elnyelése vagy felszabadulása két különböző vezető érintkezésekor, amikor egyenáram halad át rajtuk;
• Thomson-effektus - hő elnyelése vagy felszabadulása (szuper-Joule) a vezető térfogatában, amikor egy póluson halad át, elektromos áram hőmérsékleti gradiens jelenlétében.

Seebeck, Peltier és Thompson effektusok a kinetikai jelenségek közé tartoznak. A töltés és az energia mozgási folyamataihoz kapcsolódnak, ezért gyakran nevezik transzfer jelenségeknek.A kristályban lévő töltés és energia irányított áramlását külső erők generálják és tartják fenn: elektromos tér, hőmérsékleti gradiens.

A részecskék (különösen a töltéshordozók) irányított áramlása elektronok és lyukak) e részecskék koncentráció-gradiensének jelenlétében is előfordul. Maga a mágneses tér nem hoz létre irányított töltés- vagy energiaáramlást, de hatással van az egyéb külső hatások által létrehozott áramlásokra.

Seebekov-effektus

A Seebeck-effektus az, hogy ha egy nyitott elektromos áramkörben, amely több különböző vezetőből áll, az egyik érintkező a T1 hőmérsékletet (forró csomópont), a másik pedig a T2 hőmérsékletet (hideg átmenet) tartja fenn, akkor azzal a feltétellel, hogy T1 nem egyenlő T2-vel. a végein az áramkörön termoelektromotoros erő jelenik meg E. Az érintkezők zárásakor elektromos áram jelenik meg az áramkörben.

Seebekov-effektus:

Hőmérséklet-gradiens jelenlétében a vezetőben a töltéshordozók hődiffúziós áramlása a meleg végtől a hideg végig megy végbe. Ha az elektromos áramkör nyitva van, akkor a hideg végén hordozók halmozódnak fel, negatívan töltve, ha ezek elektronok, és pozitívan lyukvezetés esetén. Ebben az esetben kompenzálatlan iontöltés marad a forró végén.

Az így létrejövő elektromos tér lelassítja a hordozók mozgását a hideg vég felé, és felgyorsítja a hordozók mozgását a meleg vég felé. A hőmérsékleti gradiens által alkotott nem egyensúlyi eloszlásfüggvény az elektromos tér hatására eltolódik és bizonyos mértékig deformálódik. A kapott eloszlás olyan, hogy az áramerősség nulla. Az elektromos tér erőssége arányos az azt okozó hőmérsékleti gradienssel.

Az arányossági tényező értéke és előjele az anyag tulajdonságaitól függ. Az elektromos Seebeck-mező érzékelése és a termoelektromotoros erő mérése csak különböző anyagokból álló áramkörben lehetséges. A potenciálkontaktusok különbségei megfelelnek az érintkezésbe kerülő anyagok kémiai potenciáljainak különbségének.

Peltier hatás

A Peltier-effektus az, hogy amikor egy egyenáram áthalad egy két vezetőből vagy félvezetőből álló hőelemen, akkor az érintkezési ponton bizonyos mennyiségű hő szabadul fel vagy nyel el (az áram irányától függően).

Amikor az elektronok egy p-típusú anyagból egy n-típusú anyagba kerülnek elektromos érintkezés útján, le kell győzniük egy energiagátat, és ehhez energiát kell venniük a kristályrácsból (hideg átmenet). Ezzel szemben, amikor egy n-típusú anyagból egy p-típusú anyagba megy át, az elektronok energiát adnak át a rácsnak (forró csomópont).

Peltier-effektus:

Thomson-effektus

A Thomson-effektus az, hogy amikor elektromos áram folyik át egy vezetőn vagy félvezetőn, amelyben hőmérsékleti gradiens jön létre, a Joule-hőn kívül bizonyos mennyiségű hő szabadul fel vagy nyel el (az áram irányától függően).

Ennek a hatásnak a fizikai oka az, hogy a szabad elektronok energiája a hőmérséklettől függ. Ekkor az elektronok nagyobb energiára tesznek szert a forró vegyületben, mint a hidegben. A szabad elektronok sűrűsége is növekszik a hőmérséklet emelkedésével, ami az elektronok áramlását eredményezi a meleg végtől a hideg vég felé.

A pozitív töltés a meleg végén, a negatív töltés a hideg végén halmozódik fel. A töltések újraeloszlása ​​megakadályozza az elektronok áramlását, és egy bizonyos potenciálkülönbségnél teljesen leállítja azt.

A fent leírt jelenségek hasonló módon fordulnak elő lyukvezetésű anyagokban, azzal a különbséggel, hogy a meleg végén negatív töltés, a hideg végén pedig pozitív töltésű lyukak halmozódnak fel. Ezért a vegyes vezetőképességű anyagoknál a Thomson-effektus elhanyagolhatónak bizonyul.

Thomson effektus:

A Thomson-effektus nem talált gyakorlati alkalmazásra, de felhasználható a félvezetők szennyezett vezetőképességének meghatározására.

Seebeck és Peltier effektusok gyakorlati alkalmazása

Hőelektromos jelenségek: Seebeck- és Peltier-effektusok – találjon gyakorlati alkalmazást a gép nélküli hőben elektromos energia-átalakítókhoz – termoelektromos generátorok (TEG), hőszivattyúkban - hűtőberendezésekben, termosztátokban, légkondicionálókban, mérő- és vezérlőrendszerekben, például hőmérséklet-érzékelőkben, hőáramban (lásd - Termoelektromos átalakítók).

A termoelektromos eszközök középpontjában a speciális félvezető elemek-átalakítók állnak (hőelemek, termoelektromos modulok), például a TEC1-12706. Bővebben itt olvashat: Peltier elem – hogyan működik, hogyan kell ellenőrizni és csatlakoztatni