Seebeck, Peltier og Thomson termoelektriske effekter

Driften af ​​termoelektriske køleskabe og generatorer er baseret på termoelektriske fænomener. Disse omfatter Seebeck-, Peltier- og Thomson-effekterne. Disse effekter er relateret til både omdannelsen af ​​termisk energi til elektrisk energi og omdannelsen af ​​elektrisk energi til kold energi.

De termoelektriske egenskaber af ledninger skyldes forbindelserne mellem varme og elektriske strømme:

• Seebeck-effekt — fremkomst termo-EMF i en kæde af ujævne ledninger, ved forskellige temperaturer af dens sektioner;
• Peltier-effekt — absorption eller frigivelse af varme ved kontakt mellem to forskellige ledere, når en jævnstrøm passerer gennem dem;
• Thomson-effekt — absorption eller frigivelse af varme (super-Joule) i volumenet af en leder, når den passerer gennem en pol, elektrisk strøm i nærvær af en temperaturgradient.

Seebeck, Peltier og Thompson effekter er blandt de kinetiske fænomener. De er relateret til processerne for bevægelse af ladning og energi, derfor kaldes de ofte overførselsfænomener.Retningsbestemte strømme af ladning og energi i en krystal genereres og vedligeholdes af eksterne kræfter: elektrisk felt, temperaturgradient.

Retningsbestemt strøm af partikler (især ladningsbærere — elektroner og huller) forekommer også i nærvær af en koncentrationsgradient af disse partikler. Det magnetiske felt i sig selv skaber ikke rettede strømme af ladning eller energi, men det påvirker strømme skabt af andre ydre påvirkninger.

Seebekov effekt

Seebeck-effekten er, at hvis i et åbent elektrisk kredsløb bestående af flere forskellige ledere, holder den ene af kontakterne temperaturen T1 (hot junction) og den anden temperaturen T2 (cold junction), så under den betingelse, at T1 ikke er lig med T2 i enderne opstår der en termoelektromotorisk kraft E på kredsløbet.Når kontakterne lukkes, opstår der en elektrisk strøm i kredsløbet.

Seebekov effekt:

I nærvær af en temperaturgradient i lederen sker den termiske diffusionsstrøm af ladningsbærere fra den varme ende til den kolde ende. Hvis det elektriske kredsløb er åbent, akkumuleres bærere i den kolde ende, der oplader det negativt, hvis disse er elektroner, og positivt i tilfælde af hulledning. I dette tilfælde forbliver ukompenseret ionladning i den varme ende.

Det resulterende elektriske felt bremser bevægelsen af ​​bærere mod den kolde ende og accelererer bevægelsen af ​​bærere mod den varme ende. Den ikke-ligevægtsfordelingsfunktion, der dannes af temperaturgradienten, skifter under påvirkning af det elektriske felt og deformeres til en vis grad. Den resulterende fordeling er sådan, at strømmen er nul. Styrken af ​​det elektriske felt er proportional med temperaturgradienten, der forårsagede det.

Værdien af ​​proportionalitetsfaktoren og dens fortegn afhænger af materialets egenskaber. Det er kun muligt at detektere det elektriske Seebeck-felt og måle den termoelektromotoriske kraft i et kredsløb sammensat af forskellige materialer. Forskelle i potentielle kontakter svarer til forskellen i kemiske potentialer for de materialer, der kommer i kontakt.

Peltier effekt

Peltier-effekten er, at når en jævnstrøm passerer gennem et termoelement bestående af to ledere eller halvledere, frigives eller absorberes en vis mængde varme ved kontaktpunktet (afhængigt af strømmens retning).

Når elektroner bevæger sig fra et p-type materiale til et n-type materiale gennem en elektrisk kontakt, skal de overvinde en energibarriere og tage energi fra krystalgitteret (cold junction) for at gøre det. Omvendt, når man går fra et n-type materiale til et p-type materiale, donerer elektroner energi til gitteret (hot junction).

Peltier effekt:

Thomson effekt

Thomson-effekten er, at når der løber en elektrisk strøm gennem en leder eller halvleder, hvori der skabes en temperaturgradient, frigives eller absorberes der udover Joule-varmen en vis mængde varme (afhængigt af strømmens retning).

Den fysiske årsag til denne effekt er relateret til, at energien af ​​frie elektroner afhænger af temperaturen. Så får elektronerne en højere energi i den varme forbindelse end i den kolde. Tætheden af ​​frie elektroner stiger også med stigende temperatur, hvilket resulterer i en strøm af elektroner fra den varme ende til den kolde ende.

Den positive ladning akkumuleres i den varme ende og den negative ladning i den kolde ende. Omfordelingen af ​​ladninger forhindrer strømmen af ​​elektroner og stopper den fuldstændigt ved en vis potentialforskel.

De ovenfor beskrevne fænomener opstår på lignende måde i stoffer med hulledning, med den eneste forskel, at negativ ladning akkumuleres i den varme ende og positivt ladede huller i den kolde ende. For stoffer med blandet ledningsevne viser Thomson-effekten sig derfor at være ubetydelig.

Thomson effekt:

Thomson-effekten har ikke fundet praktisk anvendelse, men den kan bruges til at bestemme typen af ​​urenhedskonduktivitet af halvledere.

Praktisk brug af Seebeck og Peltier effekter

Termoelektriske fænomener: Seebeck- og Peltier-effekter — finder praktisk anvendelse i maskinfri varme til elektrisk energiomformere — termoelektriske generatorer (TEG), i varmepumper - køleanordninger, termostater, klimaanlæg, i måle- og kontrolsystemer såsom temperaturfølere, varmeflow (se - Termoelektriske omformere).

I hjertet af termoelektriske enheder er specielle halvlederelementer-transducere (termoelementer, termoelektriske moduler), for eksempel, såsom TEC1-12706. Læs mere her: Peltier-element - hvordan det virker, og hvordan man tjekker og forbinder