Seebeckove, Peltierove a Thomsonove termoelektrické javy

Prevádzka termoelektrických chladničiek a generátorov je založená na termoelektrických javoch. Patria sem Seebeckove, Peltierove a Thomsonove efekty. Tieto účinky súvisia tak s premenou tepelnej energie na elektrickú energiu, ako aj s premenou elektrickej energie na studenú energiu.

Termoelektrické vlastnosti drôtov sú spôsobené spojením medzi teplom a elektrickým prúdom:

• Seebeckov efekt — vznik termo-EMF v reťazci nerovných drôtov, pri rôznych teplotách jeho sekcií;
• Peltierov jav - absorpcia alebo uvoľňovanie tepla pri kontakte dvoch rôznych vodičov, keď nimi prechádza jednosmerný elektrický prúd;
• Thomsonov jav — absorpcia alebo uvoľnenie tepla (super-Joulov) v objeme vodiča pri prechode cez stĺp, elektrický prúd v prítomnosti teplotného gradientu.

Efekty Seebecka, Peltiera a Thompsona patria medzi kinetické javy. Súvisia s procesmi pohybu náboja a energie, preto sa často nazývajú prenosové javy.Smerové toky náboja a energie v kryštáli sú generované a udržiavané vonkajšími silami: elektrickým poľom, teplotným gradientom.

Smerový tok častíc (najmä nosičov náboja — elektróny a diery) sa vyskytuje aj v prítomnosti koncentračného gradientu týchto častíc. Samotné magnetické pole nevytvára usmernené toky náboja alebo energie, ale ovplyvňuje toky vytvorené inými vonkajšími vplyvmi.

Seebekov efekt

Seebeckov efekt spočíva v tom, že ak v otvorenom elektrickom obvode pozostávajúcom z niekoľkých rôznych vodičov jeden z kontaktov udržiava teplotu T1 (horúce spojenie) a druhý teplotu T2 (studený spoj), potom pod podmienkou, že T1 sa nerovná T2 na koncoch sa na obvode objaví termoelektromotorická sila E. Pri zopnutí kontaktov sa v obvode objaví elektrický prúd.

Seebekov efekt:

V prítomnosti teplotného gradientu vo vodiči dochádza k tepelnému difúznemu toku nosičov náboja od horúceho konca k studenému. Ak je elektrický obvod otvorený, nosiče sa hromadia na studenom konci a nabíjajú ho negatívne, ak sú to elektróny, a kladne v prípade dierového vedenia. V tomto prípade zostáva na horúcom konci nekompenzovaný iónový náboj.

Výsledné elektrické pole spomaľuje pohyb nosičov smerom k studenému koncu a urýchľuje pohyb nosičov smerom k horúcemu koncu. Nerovnovážna distribučná funkcia tvorená teplotným gradientom sa pôsobením elektrického poľa posúva a do určitej miery sa deformuje. Výsledné rozdelenie je také, že prúd je nulový. Sila elektrického poľa je úmerná teplotnému gradientu, ktorý ho vyvolal.

Hodnota súčiniteľa úmernosti a jej znamienko závisí od vlastností materiálu. Detegovať elektrické Seebeckovo pole a merať termoelektromotorickú silu je možné len v obvode zloženom z rôznych materiálov. Rozdiely v potenciálnych kontaktoch zodpovedajú rozdielom v chemických potenciáloch materiálov, ktoré prichádzajú do kontaktu.

Peltierov efekt

Peltierov jav spočíva v tom, že pri prechode jednosmerného prúdu cez termočlánok pozostávajúci z dvoch vodičov alebo polovodičov sa v kontaktnom bode uvoľňuje alebo absorbuje určité množstvo tepla (v závislosti od smeru prúdu).

Keď sa elektróny pohybujú z materiálu typu p na materiál typu n prostredníctvom elektrického kontaktu, musia prekonať energetickú bariéru a odobrať energiu z kryštálovej mriežky (studený spoj), aby tak urobili. Naopak, pri prechode z materiálu typu n na materiál typu p elektróny darujú energiu mriežke (horúce spojenie).

Peltierov efekt:

Thomsonov efekt

Thomsonov jav spočíva v tom, že keď elektrický prúd preteká vodičom alebo polovodičom, v ktorom sa vytvára teplotný gradient, okrem Jouleovho tepla sa uvoľňuje alebo absorbuje určité množstvo tepla (v závislosti od smeru prúdu).

Fyzikálny dôvod tohto efektu súvisí so skutočnosťou, že energia voľných elektrónov závisí od teploty. Potom elektróny získajú vyššiu energiu v horúcej zlúčenine ako v studenej. Hustota voľných elektrónov sa tiež zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo vedie k toku elektrónov z horúceho konca na studený.

Kladný náboj sa hromadí na horúcom konci a záporný náboj na studenom konci. Prerozdelenie nábojov bráni toku elektrónov a pri určitom potenciálnom rozdiele ho úplne zastaví.

Vyššie opísané javy sa vyskytujú podobným spôsobom v látkach s dierovou vodivosťou, len s tým rozdielom, že záporný náboj sa hromadí na horúcom konci a kladne nabité diery na studenom konci. Preto sa pre látky so zmiešanou vodivosťou ukazuje Thomsonov efekt ako zanedbateľný.

Thomsonov efekt:

Thomsonov jav nenašiel praktické uplatnenie, ale možno ho použiť na určenie typu vodivosti nečistôt v polovodičoch.

Praktické využitie Seebeckových a Peltierových efektov

Termoelektrické javy: Seebeckove a Peltierove javy – nachádzajú praktickú aplikáciu v bezstrojových konvertoroch tepla na elektrickú energiu – termoelektrické generátory (TEG), v tepelných čerpadlách — chladiacich zariadeniach, termostatoch, klimatizáciách, v meracích a riadiacich systémoch, ako sú snímače teploty, tepelné toky (pozri — Termoelektrické meniče).

Srdcom termoelektrických zariadení sú špeciálne polovodičové prvky-prevodníky (termoprvky, termoelektrické moduly), napríklad TEC1-12706. Prečítajte si viac tu: Peltierov prvok - ako to funguje a ako skontrolovať a pripojiť