Seebeckov, Peltierov i Thomsonov termoelektrični efekt

Rad termoelektričnih hladnjaka i generatora temelji se na termoelektričnim pojavama. Tu spadaju Seebeckov, Peltierov i Thomsonov učinak. Ti se učinci odnose i na pretvorbu toplinske energije u električnu energiju i na pretvorbu električne energije u energiju hladnoće.

Termoelektrična svojstva žica rezultat su veze između topline i električne struje:

• Seebeckov učinak — pojava termo-EMF u lancu neravnih žica, na različitim temperaturama njegovih dijelova;
• Peltierov učinak — apsorpcija ili oslobađanje topline na dodiru dva različita vodiča kada kroz njih prolazi istosmjerna električna struja;
• Thomsonov učinak — apsorpcija ili oslobađanje topline (super-Joule) u volumenu vodiča pri prolasku kroz stup, električna struja uz prisutnost temperaturnog gradijenta.

Među kinetičke pojave spadaju Seebeckov, Peltierov i Thompsonov učinak. Povezani su s procesima kretanja naboja i energije, pa se često nazivaju fenomenima prijenosa.Usmjereni tokovi naboja i energije u kristalu stvaraju se i održavaju vanjskim silama: električno polje, temperaturni gradijent.

Usmjereni tok čestica (osobito nositelja naboja — elektrona i rupa) također se javlja u prisutnosti koncentracijskog gradijenta ovih čestica. Samo magnetsko polje ne stvara usmjerene tokove naboja ili energije, ali ono utječe na tokove stvorene drugim vanjskim utjecajima.

Seebekov učinak

Seebeckov učinak je da ako u otvorenom električnom krugu koji se sastoji od nekoliko različitih vodiča jedan od kontakata održava temperaturu T1 (vrući spoj), a drugi temperaturu T2 (hladni spoj), tada pod uvjetom da T1 nije jednak T2 na krajevima u krugu se javlja termoelektromotorna sila E. Kad se kontakti zatvore, u krugu se javlja električna struja.

Seebekov učinak:

U prisutnosti temperaturnog gradijenta u vodiču, toplinski difuzijski tok nositelja naboja događa se od vrućeg kraja prema hladnom kraju. Ako je električni krug otvoren, tada se na hladnom kraju nakupljaju nositelji, naelektrišući ga negativno ako su to elektroni, a pozitivno u slučaju provodljivosti šupljina. U ovom slučaju, nekompenzirani ionski naboj ostaje na vrućem kraju.

Rezultirajuće električno polje usporava kretanje nosača prema hladnom kraju i ubrzava kretanje nosača prema vrućem kraju. Neravnotežna funkcija raspodjele koju tvori temperaturni gradijent pomiče se pod djelovanjem električnog polja i donekle se deformira. Rezultirajuća raspodjela je takva da je struja nula. Jakost električnog polja proporcionalna je temperaturnom gradijentu koji ga je uzrokovao.

Vrijednost faktora proporcionalnosti i njegov predznak ovise o svojstvima materijala. Moguće je otkriti električno Seebeckovo polje i izmjeriti termoelektromotornu silu samo u krugu sastavljenom od različitih materijala. Razlike u potencijalnim kontaktima odgovaraju razlici u kemijskim potencijalima materijala koji dolaze u kontakt.

Peltier efekt

Peltierov efekt je da kada istosmjerna struja prolazi kroz termoelement koji se sastoji od dva vodiča ili poluvodiča, određena količina topline se oslobađa ili apsorbira na kontaktnoj točki (ovisno o smjeru struje).

Kada elektroni prelaze iz materijala p-tipa u materijal n-tipa kroz električni kontakt, moraju prevladati energetsku barijeru i uzeti energiju iz kristalne rešetke (hladni spoj) da bi to učinili. Suprotno tome, kada se prelazi s materijala n-tipa na materijal p-tipa, elektroni predaju energiju rešetki (vrući spoj).

Peltierov efekt:

Thomsonov učinak

Thomsonov efekt je da kada električna struja teče kroz vodič ili poluvodič u kojem se stvara temperaturni gradijent, osim Jouleove topline oslobađa se ili apsorbira određena količina topline (ovisno o smjeru struje).

Fizikalni razlog za ovaj učinak povezan je s činjenicom da energija slobodnih elektrona ovisi o temperaturi. Tada elektroni dobivaju veću energiju u vrućem spoju nego u hladnom. Gustoća slobodnih elektrona također raste s povećanjem temperature, što rezultira protokom elektrona od vrućeg kraja prema hladnom kraju.

Pozitivni naboj nakuplja se na vrućem kraju, a negativni na hladnom kraju. Preraspodjela naboja sprječava protok elektrona i pri određenoj razlici potencijala potpuno ga zaustavlja.

Gore opisani fenomeni događaju se na sličan način u tvarima s rupičastom vodljivošću, s jedinom razlikom što se negativni naboj nakuplja na vrućem kraju, a pozitivno nabijene rupe na hladnom kraju. Stoga se za tvari s mješovitom vodljivošću Thomsonov učinak pokazuje zanemarivim.

Thomsonov učinak:

Thomsonov efekt nije našao praktičnu primjenu, ali se može koristiti za određivanje vrste nečistoće vodljivosti poluvodiča.

Praktična primjena Seebeckovog i Peltierovog efekta

Termoelektrični fenomeni: Seebeckov i Peltierov učinak — pronađite praktičnu primjenu u pretvaračima topline u električnu energiju bez stroja — termoelektrični generatori (TEG), u dizalicama topline — rashladnim uređajima, termostatima, klimatizacijskim uređajima, u mjernim i upravljačkim sustavima kao što su temperaturni senzori, protok topline (vidi — Termoelektrični pretvarači).

U srcu termoelektričnih uređaja su posebni poluvodički elementi-pretvornici (termoelementi, termoelektrični moduli), na primjer, kao što je TEC1-12706. Pročitajte više ovdje: Peltier element - kako radi te kako provjeriti i spojiti