Seebeck, Peltier och Thomson termoelektriska effekter

Driften av termoelektriska kylskåp och generatorer är baserad på termoelektriska fenomen. Dessa inkluderar Seebeck-, Peltier- och Thomson-effekterna. Dessa effekter är relaterade till både omvandlingen av termisk energi till elektrisk energi och omvandlingen av elektrisk energi till kall energi.

De termoelektriska egenskaperna hos ledningar beror på kopplingarna mellan värme och elektriska strömmar:

• Seebeckeffekt — uppkomst termo-EMF i en kedja av ojämna trådar, vid olika temperaturer i dess sektioner;
• Peltiereffekt — absorption eller frigöring av värme vid kontakten mellan två olika ledare när en elektrisk likström passerar genom dem;
• Thomson-effekt — absorption eller frigöring av värme (super-Joule) i volymen av en ledare när den passerar genom en pol, elektrisk ström i närvaro av en temperaturgradient.

Seebeck, Peltier och Thompson effekter är bland de kinetiska fenomenen. De är relaterade till processerna för rörelse av laddning och energi, därför kallas de ofta överföringsfenomen.Riktade flöden av laddning och energi i en kristall genereras och upprätthålls av yttre krafter: elektriskt fält, temperaturgradient.

Riktat flöde av partiklar (särskilt laddningsbärare — elektroner och hål) förekommer också i närvaro av en koncentrationsgradient av dessa partiklar. Magnetfältet i sig skapar inte riktade flöden av laddning eller energi, men det påverkar de flöden som skapas av andra yttre påverkan.

Seebekov-effekt

Seebeck-effekten är att om i en öppen elektrisk krets som består av flera olika ledare håller en av kontakterna temperaturen T1 (varmövergång) och den andra temperaturen T2 (kallövergång), så under förutsättning att T1 inte är lika med T2 i ändarna uppstår en termoelektromotorisk kraft E på kretsen När kontakterna är slutna uppstår en elektrisk ström i kretsen.

Seebekov effekt:

I närvaro av en temperaturgradient i ledaren sker det termiska diffusionsflödet av laddningsbärare från den varma änden till den kalla änden. Om den elektriska kretsen är öppen, ackumuleras bärare i den kalla änden, laddar den negativt om dessa är elektroner, och positivt i fallet med hålledning. I detta fall förblir okompenserad jonladdning i den heta änden.

Det resulterande elektriska fältet saktar ner bärarnas rörelse mot den kalla änden och accelererar bärarnas rörelse mot den heta änden. Den icke-jämviktsfördelningsfunktion som bildas av temperaturgradienten skiftar under inverkan av det elektriska fältet och deformeras i viss utsträckning. Den resulterande fördelningen är sådan att strömmen är noll. Styrkan hos det elektriska fältet är proportionell mot temperaturgradienten som orsakade det.

Värdet på proportionalitetsfaktorn och dess tecken beror på materialets egenskaper. Det är möjligt att detektera det elektriska Seebeck-fältet och mäta den termoelektromotoriska kraften endast i en krets som består av olika material. Skillnader i potentialkontakter motsvarar skillnaden i kemisk potential hos de material som kommer i kontakt.

Peltier-effekt

Peltiereffekten är att när en likström passerar genom ett termoelement som består av två ledare eller halvledare så frigörs eller absorberas en viss mängd värme vid kontaktpunkten (beroende på strömriktningen).

När elektroner rör sig från ett material av p-typ till ett material av n-typ genom en elektrisk kontakt, måste de övervinna en energibarriär och ta energi från kristallgittret (kallövergången) för att göra det. Omvänt, när man går från ett material av n-typ till ett material av p-typ, donerar elektroner energi till gittret (hot junction).

Peltier effekt:

Thomson effekt

Thomsoneffekten är att när en elektrisk ström flyter genom en ledare eller halvledare där en temperaturgradient skapas, utöver Joule-värmen, frigörs eller absorberas en viss mängd värme (beroende på strömriktningen).

Den fysiska orsaken till denna effekt är relaterad till det faktum att energin hos fria elektroner beror på temperaturen. Då får elektronerna en högre energi i den varma föreningen än i den kalla. Tätheten av fria elektroner ökar också med ökande temperatur, vilket resulterar i ett flöde av elektroner från den varma änden till den kalla änden.

Den positiva laddningen ackumuleras i den varma änden och den negativa laddningen i den kalla änden. Omfördelningen av laddningar förhindrar flödet av elektroner och stoppar det helt vid en viss potentialskillnad.

De ovan beskrivna fenomenen uppträder på liknande sätt i ämnen med hålledning, med den enda skillnaden att negativ laddning ackumuleras i den varma änden och positivt laddade hål i den kalla änden. Därför, för ämnen med blandad konduktivitet, visar sig Thomson-effekten vara försumbar.

Thomson effekt:

Thomson-effekten har inte funnit praktisk tillämpning, men den kan användas för att bestämma typen av föroreningskonduktivitet hos halvledare.

Praktisk användning av Seebeck och Peltier effekter

Termoelektriska fenomen: Seebeck- och Peltier-effekter — hitta praktisk tillämpning i maskinlösa värme- till elektrisk energiomvandlare — termoelektriska generatorer (TEG), i värmepumpar — kylanordningar, termostater, luftkonditioneringsapparater, i mät- och styrsystem såsom temperatursensorer, värmeflöde (se — Termoelektriska omvandlare).

I hjärtat av termoelektriska enheter finns speciella halvledarelement-givare (termoelement, termoelektriska moduler), till exempel, såsom TEC1-12706. Läs mer här: Peltier element - hur det fungerar och hur man kontrollerar och ansluter