אפקטים תרמו-אלקטריים של Seebeck, Peltier and Thomson

פעולתם של מקררים וגנרטורים תרמו-אלקטריים מבוססת על תופעות תרמו-אלקטריות. אלה כוללים את אפקטי Seebeck, Peltier ו-Thomson. השפעות אלו קשורות הן להמרה של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית והן להמרה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה קרה.

התכונות התרמו-אלקטריות של חוטים נובעות מהקשרים בין חום וזרמים חשמליים:

• אפקט Seebeck - הופעה תרמו-EMF בשרשרת של חוטים לא אחידים, בטמפרטורות שונות של חלקיו;
• אפקט פלטיאר - ספיגה או שחרור של חום במגע של שני מוליכים שונים כאשר זרם חשמלי ישר עובר דרכם;
• אפקט תומסון - ספיגה או שחרור של חום (סופר-ג'ול) בנפח המוליך בעת מעבר דרך עמוד, זרם חשמלי בנוכחות שיפוע טמפרטורה.

השפעות סיבק, פלטייר ותומפסון הן בין התופעות הקינטיות. הם קשורים לתהליכי תנועה של מטען ואנרגיה, ולכן הם נקראים לעתים קרובות תופעות העברה.זרימות כיווניות של מטען ואנרגיה בגביש נוצרות ונשמרות על ידי כוחות חיצוניים: שדה חשמלי, שיפוע טמפרטורה.

זרימה כיוונית של חלקיקים (בפרט נושאי מטען - אלקטרונים וחורים) מתרחשת גם בנוכחות שיפוע ריכוז של חלקיקים אלה. השדה המגנטי עצמו אינו יוצר זרימות מכוונות של מטען או אנרגיה, אך הוא משפיע על הזרימות שנוצרות על ידי השפעות חיצוניות אחרות.

אפקט Seebekov

אפקט Seebeck הוא שאם במעגל חשמלי פתוח המורכב מכמה מוליכים שונים אחד מהמגעים שומר על הטמפרטורה T1 (צומת חם) והשני על הטמפרטורה T2 (צומת קר), אז בתנאי ש-T1 אינו שווה ל-T2 בקצוות מופיע על המעגל כוח תרמו-אלקטרו-מוטיבי E. כאשר המגעים סגורים, מופיע זרם חשמלי במעגל.

אפקט Seebekov:

בנוכחות שיפוע טמפרטורה במוליך, זרימת הדיפוזיה התרמית של נושאי מטען מתרחשת מהקצה החם לקצה הקר. אם המעגל החשמלי פתוח, אזי נשאים מצטברים בקצה הקר, ומטעינים אותו בצורה שלילית אם אלו אלקטרונים, ובאופן חיובי במקרה של הולכת חורים. במקרה זה, מטען יונים ללא פיצוי נשאר בקצה החם.

השדה החשמלי שנוצר מאט את תנועת הנשאים לכיוון הקצה הקר ומאיץ את תנועת הנשאים לכיוון הקצה החם. פונקציית חלוקת אי-שיווי המשקל שנוצרת על ידי שיפוע הטמפרטורה משתנה תחת פעולת השדה החשמלי ומתעוותת במידה מסוימת. ההתפלגות המתקבלת היא כזו שהזרם הוא אפס. חוזק השדה החשמלי הוא פרופורציונלי לשיפוע הטמפרטורה שגרם לו.

הערך של גורם המידתיות והסימן שלו תלויים בתכונות החומר. אפשר לזהות את שדה Seebeck החשמלי ולמדוד את הכוח התרמו-אלקטרו-מוטיבי רק במעגל המורכב מחומרים שונים. הבדלים במגעים פוטנציאליים תואמים להבדל בפוטנציאלים הכימיים של החומרים הבאים במגע.

אפקט פלטייר

אפקט פלטייר הוא שכאשר עובר זרם ישר דרך צמד תרמי המורכב משני מוליכים או מוליכים למחצה, כמות מסוימת של חום משתחררת או נספגת בנקודת המגע (בהתאם לכיוון הזרם).

כאשר אלקטרונים עוברים מחומר מסוג p לחומר מסוג n באמצעות מגע חשמלי, הם חייבים להתגבר על מחסום אנרגיה ולקחת אנרגיה מסריג הגביש (צומת קר) לשם כך. לעומת זאת, כאשר עוברים מחומר מסוג n לחומר מסוג p, אלקטרונים תורמים אנרגיה לסריג (צומת חם).

אפקט פלטייר:

אפקט תומסון

אפקט תומסון הוא שכאשר זרם חשמלי זורם דרך מוליך או מוליך למחצה בהם נוצר שיפוע טמפרטורה, בנוסף לחום הג'ול, משתחררת או נספגת כמות מסוימת של חום (בהתאם לכיוון הזרם).

הסיבה הפיזית להשפעה זו קשורה לעובדה שהאנרגיה של אלקטרונים חופשיים תלויה בטמפרטורה. אז האלקטרונים רוכשים אנרגיה גבוהה יותר בתרכובת החמה מאשר בקרה. גם צפיפות האלקטרונים החופשיים עולה עם עליית הטמפרטורה, וכתוצאה מכך זרימה של אלקטרונים מהקצה החם לקצה הקר.

המטען החיובי מצטבר בקצה החם והמטען השלילי בקצה הקר. חלוקה מחדש של מטענים מונעת את זרימת האלקטרונים, ובהפרש פוטנציאל מסוים, עוצרת אותה לחלוטין.

התופעות שתוארו לעיל מתרחשות באופן דומה בחומרים עם הולכת חורים, כשההבדל היחיד הוא שמטען שלילי מצטבר בקצה החם וחורים בעלי מטען חיובי בקצה הקר. לכן, עבור חומרים עם מוליכות מעורבת, אפקט תומסון מתברר כזניח.

אפקט תומסון:

אפקט תומסון לא מצא יישום מעשי, אך ניתן להשתמש בו כדי לקבוע את סוג מוליכות הטומאה של מוליכים למחצה.

שימוש מעשי באפקטים של Seebeck ו-Peltier

תופעות תרמו-חשמליות: אפקטים של Seebeck ו-Peltier - מצאו יישום מעשי בממירי חום ללא מכונות לאנרגיה חשמלית - גנרטורים תרמו-אלקטריים (TEG), במשאבות חום - התקני קירור, תרמוסטטים, מזגנים, במערכות מדידה ובקרה כגון חיישני טמפרטורה, זרימת חום (ראה - ממירים תרמיים).

בלב התקנים תרמו-אלקטריים נמצאים אלמנטים מוליכים למחצה מיוחדים-מתמרים (תרמו-אלמנטים, מודולים תרמו-אלקטריים), למשל, כגון TEC1-12706. קרא עוד כאן: אלמנט פלטייר - איך זה עובד ואיך בודקים ומתחברים