Matukio ya umeme wa joto ni mada tofauti katika fizikia, ambamo wao huzingatia jinsi halijoto inavyoweza kuzalisha umeme, na ya pili kusababisha mabadiliko ya halijoto. Mojawapo ya matukio ya kwanza ya umeme wa joto kugunduliwa ilikuwa athari ya Seebeck.
Masharti ya kufungua madoido
Mnamo mwaka wa 1797, mwanafizikia wa Kiitaliano Alessandro Volta, akifanya utafiti katika uwanja wa umeme, aligundua moja ya matukio ya kushangaza: aligundua kuwa nyenzo mbili ngumu zinapogusana, tofauti inayoweza kutokea huonekana katika eneo la mawasiliano. Inaitwa tofauti ya mawasiliano. Kimwili, ukweli huu unamaanisha kuwa eneo la mawasiliano la vifaa tofauti lina nguvu ya umeme (EMF) ambayo inaweza kusababisha kuonekana kwa sasa katika mzunguko uliofungwa. Ikiwa sasa nyenzo mbili zimeunganishwa katika mzunguko mmoja (kuunda mawasiliano mawili kati yao), basi EMF maalum itaonekana kwa kila mmoja wao, ambayo itakuwa sawa kwa ukubwa, lakini kinyume katika ishara. Mwisho unafafanua kwa nini hakuna mkondo unaozalishwa.
Sababu ya kuonekana kwa EMF ni kiwango tofauti cha Fermi (nishatimajimbo ya valence ya elektroni) katika vifaa tofauti. Wakati mwisho unapogusana, kiwango cha Fermi hupunguzwa (katika nyenzo moja hupungua, kwa mwingine huinuka). Utaratibu huu hutokea kutokana na kupita kwa elektroni kupitia mguso, ambayo husababisha kuonekana kwa EMF.
Ikumbukwe mara moja kwamba thamani ya EMF haitumiki (kwa mpangilio wa sehemu za kumi chache za volt).
Ugunduzi wa Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (Mwanafizikia Mjerumani) mwaka wa 1821, yaani, miaka 24 baada ya ugunduzi wa tofauti inayoweza kutokea ya mawasiliano na Volt, alifanya jaribio lifuatalo. Aliunganisha sahani ya bismuth na shaba, na kuweka sindano ya magnetic karibu nao. Katika kesi hii, kama ilivyoelezwa hapo juu, hakuna sasa ilitokea. Lakini mara tu mwanasayansi alipoleta mwali wa kichomea kwenye mojawapo ya viunga vya metali hizo mbili, sindano ya sumaku ilianza kugeuka.
Sasa tunajua kwamba nguvu ya Ampere iliyoundwa na kondakta wa sasa wa kubeba ilisababisha kugeuka, lakini wakati huo Seebeck hakujua hili, kwa hiyo alifikiri kimakosa kwamba magnetization ya metali hutokea kama matokeo ya joto. tofauti.
Maelezo sahihi ya jambo hili yalitolewa miaka michache baadaye na mwanafizikia wa Denmark Hans Oersted, ambaye alidokeza kuwa tunazungumza kuhusu mchakato wa thermoelectric, na mkondo wa sasa unapita kupitia saketi iliyofungwa. Hata hivyo, athari ya thermoelectric iliyogunduliwa na Thomas Seebeck sasa ina jina lake la mwisho.
Fizikia ya michakato inayoendelea
Kwa mara nyingine tena ili kuunganisha nyenzo: kiini cha athari ya Seebeck ni kushawishimkondo wa umeme kwa sababu ya kudumisha halijoto tofauti za miguso miwili ya nyenzo tofauti, ambayo huunda saketi iliyofungwa.
Ili kuelewa kinachotokea katika mfumo huu, na kwa nini mkondo wa sasa unaanza kufanya kazi ndani yake, unapaswa kufahamu matukio matatu:
- Ya kwanza tayari imetajwa - huu ni msisimko wa EMF katika eneo la mawasiliano kutokana na kulandanisha viwango vya Fermi. Nishati ya kiwango hiki katika nyenzo hubadilika joto linapoongezeka au kushuka. Ukweli wa mwisho utasababisha kuonekana kwa mkondo ikiwa miunganisho miwili imefungwa katika mzunguko (hali ya usawa katika ukanda wa mawasiliano ya metali kwa joto tofauti itakuwa tofauti).
- Mchakato wa kuhamisha watoa huduma za chaji kutoka sehemu zenye joto hadi baridi. Athari hii inaweza kueleweka ikiwa tunakumbuka kwamba elektroni katika metali na elektroni na mashimo katika semiconductors inaweza, katika makadirio ya kwanza, kuchukuliwa kuwa gesi bora. Kama inavyojulikana, mwisho, inapokanzwa kwa kiasi kilichofungwa, huongeza shinikizo. Kwa maneno mengine, katika eneo la mawasiliano, ambapo hali ya joto ni ya juu, "shinikizo" la gesi ya elektroni (shimo) pia ni ya juu, hivyo flygbolag za malipo huwa na kwenda kwenye maeneo ya baridi ya nyenzo, yaani, kwa mawasiliano mengine.
- Mwishowe, jambo lingine linalosababisha kuonekana kwa mkondo wa umeme katika madoido ya Seebeck ni mwingiliano wa phononi (mitetemo ya kimiani) na vibeba chaji. Hali hiyo inaonekana kama phononi, inayosonga kutoka kwenye makutano ya moto hadi kwenye makutano baridi, "gonga" elektroni (shimo) na kuipatia nishati ya ziada.
Imeashiria michakato mitatukwa hivyo, kutokea kwa mkondo katika mfumo uliofafanuliwa hubainishwa.
Je, jambo hili la thermoelectric linaelezewa vipi?
Rahisi sana, kwa hili wanatanguliza kigezo fulani S, kinachoitwa mgawo wa Seebeck. Kigezo kinaonyesha ikiwa thamani ya EMF inasababishwa ikiwa tofauti ya halijoto ya mwasiliani inadumishwa sawa na Kelvin 1 (digrii Selsiasi). Hiyo ni, unaweza kuandika:
S=ΔV/ΔT.
Hapa ΔV ni EMF ya saketi (voltage), ΔT ni tofauti ya halijoto kati ya makutano ya joto na baridi (eneo la mawasiliano). Fomula hii ni takriban tu sahihi, kwani S kwa ujumla hutegemea halijoto.
Thamani za mgawo wa Seebeck hutegemea asili ya nyenzo zinazogusana. Walakini, tunaweza kusema kwa hakika kuwa kwa nyenzo za metali maadili haya ni sawa na vitengo na makumi ya μV/K, wakati kwa semiconductors ni mamia ya μV/K, ambayo ni, semiconductors zina mpangilio wa nguvu kubwa ya thermoelectric kuliko metali.. Sababu ya ukweli huu ni utegemezi mkubwa wa sifa za semiconductors kwenye joto (conductivity, mkusanyiko wa wabebaji wa malipo).
Ufanisi wa mchakato
Hali ya kushangaza ya uhamishaji wa joto kwenye umeme hufungua fursa nzuri za utumiaji wa jambo hili. Walakini, kwa matumizi yake ya kiteknolojia, sio tu wazo lenyewe ni muhimu, lakini pia sifa za kiasi. Kwanza, kama inavyoonyeshwa, emf inayosababisha ni ndogo sana. Shida hii inaweza kuzungushwa kwa kutumia unganisho la safu ya idadi kubwa ya makondakta (ambayoinafanywa katika seli ya Peltier, ambayo itajadiliwa hapa chini).
Pili, ni suala la ufanisi wa uzalishaji wa umeme wa joto. Na swali hili linabaki wazi hadi leo. Ufanisi wa athari ya Seebeck ni chini sana (karibu 10%). Hiyo ni, kati ya joto zote zinazotumiwa, ni sehemu ya kumi tu ya hiyo inaweza kutumika kufanya kazi muhimu. Maabara nyingi duniani kote zinajaribu kuongeza ufanisi huu, ambao unaweza kufanywa kwa kutengeneza nyenzo za kizazi kipya, kwa mfano, kwa kutumia nanoteknolojia.
Kwa kutumia athari iliyogunduliwa na Seebeck
Licha ya ufanisi mdogo, bado inapata matumizi yake. Yafuatayo ni maeneo makuu:
- Thermocouple. Athari ya Seebeck inatumiwa kwa mafanikio kupima halijoto ya vitu mbalimbali. Kwa kweli, mfumo wa mawasiliano mawili ni thermocouple. Ikiwa mgawo wake S na joto la moja ya mwisho hujulikana, basi kwa kupima voltage ambayo hutokea katika mzunguko, inawezekana kuhesabu joto la mwisho mwingine. Thermocouples pia hutumika kupima msongamano wa nishati inayong'aa (umeme).
- Uzalishaji wa umeme kwenye vichunguzi vya anga. Uchunguzi uliozinduliwa na binadamu ili kuchunguza mfumo wetu wa jua au zaidi ya kutumia athari ya Seebeck ili kuwasha umeme kwenye bodi. Hili hufanywa kutokana na jenereta ya mionzi ya joto.
- Matumizi ya athari ya Seebeck katika magari ya kisasa. BMW na Volkswagen zilitangazakuonekana katika magari yao ya jenereta za thermoelectric ambazo zitatumia joto la gesi zinazotolewa kutoka kwa bomba la kutolea nje.
Athari zingine za thermoelectric
Kuna athari tatu za thermoelectric: Seebeck, Peltier, Thomson. Kiini cha kwanza tayari kimezingatiwa. Kuhusu athari ya Peltier, inajumuisha inapokanzwa mawasiliano moja na baridi ya nyingine, ikiwa mzunguko uliojadiliwa hapo juu umeunganishwa na chanzo cha nje cha nje. Hiyo ni, athari za Seebeck na Peltier ni kinyume.
Athari ya Thomson ina asili sawa, lakini inazingatiwa kwenye nyenzo sawa. Kiini chake ni kutolewa au kufyonzwa kwa joto kwa kondakta ambapo mkondo wa maji unapita na ncha zake hudumishwa kwa viwango tofauti vya joto.
Peltier cell
Wanapozungumza kuhusu hataza za moduli za jenereta za thermo na athari ya Seebeck, basi, bila shaka, jambo la kwanza wanalokumbuka ni seli ya Peltier. Ni kifaa cha kompakt (4x4x0.4 cm) kilichotengenezwa kutoka kwa mfululizo wa kondakta wa aina ya n- na p iliyounganishwa katika mfululizo. Unaweza kuifanya mwenyewe. Athari za Seebeck na Peltier ndio kiini cha kazi yake. Voltages na mikondo ambayo inafanya kazi nayo ni ndogo (3-5 V na 0.5 A). Kama ilivyoelezwa hapo juu, ufanisi wa kazi yake ni mdogo sana (≈10%).
Hutumika kutatua kazi za kila siku kama vile kupasha joto au kupoeza maji kwenye kikombe au kuchaji upya simu ya mkononi.
