Efekty termoelektryczne Seebecka, Peltiera i Thomsona

Działanie termoelektrycznych lodówek i generatorów opiera się na zjawiskach termoelektrycznych. Należą do nich efekty Seebecka, Peltiera i Thomsona. Efekty te są związane zarówno z przemianą energii cieplnej w energię elektryczną, jak iz przemianą energii elektrycznej w energię zimna.

Właściwości termoelektryczne drutów wynikają z połączeń między ciepłem a prądami elektrycznymi:

• Efekt Seebecka — pojawienie się termo-EMF w łańcuchu nierównych drutów, przy różnych temperaturach jego odcinków;
• Efekt Peltiera — pochłanianie lub uwalnianie ciepła na styku dwóch różnych przewodników, gdy przepływa przez nie stały prąd elektryczny;
• Efekt Thomsona — pochłanianie lub uwalnianie ciepła (superJoule) w objętości przewodnika przechodzącego przez biegun, prąd elektryczny w obecności gradientu temperatury.

Efekty Seebecka, Peltiera i Thompsona należą do zjawisk kinetycznych. Są one związane z procesami ruchu ładunku i energii, dlatego często nazywane są zjawiskami transferowymi.Kierunkowe przepływy ładunku i energii w krysztale są generowane i utrzymywane przez siły zewnętrzne: pole elektryczne, gradient temperatury.

Kierunkowy przepływ cząstek (w szczególności nośników ładunku — elektrony i dziury) występuje również w obecności gradientu stężeń tych cząstek. Samo pole magnetyczne nie tworzy ukierunkowanych przepływów ładunku lub energii, ale wpływa na przepływy tworzone przez inne wpływy zewnętrzne.

Efekt Seebekova

Efekt Seebecka polega na tym, że jeśli w otwartym obwodzie elektrycznym składającym się z kilku różnych przewodników jeden ze styków utrzymuje temperaturę T1 (spoina gorąca), a drugi T2 (spoina zimna), to pod warunkiem, że T1 nie jest równe T2 na końcach obwodu pojawia się siła termoelektromotoryczna E. Gdy styki są zwarte, w obwodzie pojawia się prąd elektryczny.

Efekt Seebekowa:

W obecności gradientu temperatury w przewodniku przepływ dyfuzji termicznej nośników ładunku zachodzi od gorącego końca do zimnego końca. Jeśli obwód elektryczny jest otwarty, to nośniki gromadzą się na zimnym końcu, ładując go ujemnie, jeśli są to elektrony, i dodatnio w przypadku przewodnictwa dziurowego. W takim przypadku nieskompensowany ładunek jonów pozostaje na gorącym końcu.

Powstałe pole elektryczne spowalnia ruch nośników w kierunku zimnego końca i przyspiesza ruch nośników w kierunku gorącego końca. Funkcja rozkładu nierównowagi utworzona przez gradient temperatury przesuwa się pod wpływem pola elektrycznego i jest w pewnym stopniu zdeformowana. Wynikowy rozkład jest taki, że prąd wynosi zero. Siła pola elektrycznego jest proporcjonalna do gradientu temperatury, który je spowodował.

Wartość współczynnika proporcjonalności i jego znak zależą od właściwości materiału. Wykrywanie pola elektrycznego Seebecka i pomiar siły termoelektromotorycznej jest możliwe tylko w obwodzie złożonym z różnych materiałów. Różnice w potencjalnych kontaktach odpowiadają różnicy potencjałów chemicznych materiałów, które wchodzą w kontakt.

Efekt Peltiera

Efekt Peltiera polega na tym, że gdy prąd stały przepływa przez termoparę składającą się z dwóch przewodników lub półprzewodników, pewna ilość ciepła jest uwalniana lub absorbowana w punkcie styku (w zależności od kierunku prądu).

Kiedy elektrony przemieszczają się z materiału typu p do materiału typu n przez kontakt elektryczny, muszą pokonać barierę energetyczną i pobrać energię z sieci krystalicznej (zimne złącze). I odwrotnie, przechodząc z materiału typu n do materiału typu p, elektrony przekazują energię sieci (gorące złącze).

Efekt Peltiera:

Efekt Thomsona

Efekt Thomsona polega na tym, że gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik lub półprzewodnik, w którym powstaje gradient temperatury, oprócz ciepła Joule'a, pewna ilość ciepła jest uwalniana lub absorbowana (w zależności od kierunku prądu).

Fizyczna przyczyna tego efektu jest związana z faktem, że energia swobodnych elektronów zależy od temperatury. Wtedy elektrony uzyskują wyższą energię w gorącym związku niż w zimnym. Gęstość wolnych elektronów również wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, co powoduje przepływ elektronów od gorącego do zimnego końca.

Ładunek dodatni gromadzi się na gorącym końcu, a ładunek ujemny na zimnym końcu. Redystrybucja ładunków zapobiega przepływowi elektronów, a przy pewnej różnicy potencjałów całkowicie go zatrzymuje.

Zjawiska opisane powyżej zachodzą w podobny sposób w substancjach przewodzących dziury, z tą różnicą, że ładunek ujemny gromadzi się na gorącym końcu, a dodatnio naładowane dziury na zimnym końcu. Dlatego dla substancji o przewodnictwie mieszanym efekt Thomsona okazuje się nieistotny.

Efekt Thomsona:

Efekt Thomsona nie znalazł praktycznego zastosowania, ale można go wykorzystać do określenia rodzaju przewodnictwa domieszek półprzewodników.

Praktyczne wykorzystanie efektów Seebecka i Peltiera

Zjawiska termoelektryczne: efekty Seebecka i Peltiera — znajdują praktyczne zastosowanie w bezmaszynowych przetwornikach ciepła na energię elektryczną — generatory termoelektryczne (TEG), w pompach ciepła — urządzenia chłodnicze, termostaty, klimatyzatory, w układach pomiarowych i kontrolnych, takich jak czujniki temperatury, przepływ ciepła (patrz — Przetwornice termoelektryczne).

Sercem urządzeń termoelektrycznych są specjalne elementy półprzewodnikowe-przetworniki (termoelementy, moduły termoelektryczne), na przykład takie jak TEC1-12706. Przeczytaj więcej tutaj: Element Peltiera - jak działa i jak sprawdzić i podłączyć