Seebeckin, Peltierin ja Thomsonin lämpösähköiset efektit

Termosähköisten jääkaappien ja generaattoreiden toiminta perustuu lämpösähköisiin ilmiöihin. Näitä ovat Seebeck-, Peltier- ja Thomson-efektit. Nämä vaikutukset liittyvät sekä lämpöenergian muuntamiseen sähköenergiaksi että sähköenergian muuntamiseen kylmäenergiaksi.

Johtojen lämpösähköiset ominaisuudet johtuvat lämmön ja sähkövirran välisistä yhteyksistä:

• Seebeck-ilmiö — ilmaantuminen lämpö-EMF epätasaisten lankojen ketjussa sen osien eri lämpötiloissa;
• Peltier-ilmiö — lämmön imeytyminen tai vapautuminen kahden eri johtimen kosketuksessa, kun tasavirta kulkee niiden läpi;
• Thomson-ilmiö — lämmön imeytyminen tai vapautuminen (superjoule) johtimen tilavuudessa, kun se kulkee navan läpi, sähkövirta lämpötilagradientin läsnä ollessa.

Seebeckin, Peltierin ja Thompsonin vaikutukset ovat kineettisiä ilmiöitä. Ne liittyvät varauksen ja energian liikeprosesseihin, joten niitä kutsutaan usein siirtoilmiöiksi.Kiteen suunnattuja varaus- ja energiavirtoja synnyttävät ja ylläpitävät ulkoiset voimat: sähkökenttä, lämpötilagradientti.

Hiukkasten (erityisesti varauksenkuljettajien) suunnattu virtaus elektroneja ja reikiä) esiintyy myös näiden hiukkasten pitoisuusgradientin läsnä ollessa. Magneettikenttä itsessään ei luo suunnattuja varaus- tai energiavirtoja, mutta se vaikuttaa muiden ulkoisten vaikutusten synnyttämiin virtoihin.

Seebekov-efekti

Seebeck-ilmiö on, että jos avoimessa sähköpiirissä, joka koostuu useista eri johtimista, toinen koskettimista ylläpitää lämpötilaa T1 (kuumaliitos) ja toinen lämpötilaa T2 (kylmä liitos), niin sillä ehdolla, että T1 ei ole yhtä suuri kuin T2. päissä piiriin ilmestyy termoelektromotorinen voima E. Kun koskettimet ovat kiinni, piiriin tulee sähkövirta.

Seebekov-efekti:

Lämpötilagradientin läsnä ollessa johtimessa varauksenkuljettajien lämpödiffuusiovirtaus tapahtuu kuumasta päästä kylmään päähän. Jos sähköpiiri on auki, kantoaaltoja kerääntyy kylmään päähän ja varaa sitä negatiivisesti, jos ne ovat elektroneja, ja positiivisesti, jos kyseessä on reikäjohtuminen. Tässä tapauksessa kompensoimaton ionivaraus jää kuumaan päähän.

Tuloksena oleva sähkökenttä hidastaa kantajien liikettä kohti kylmää päätä ja kiihdyttää kantajien liikettä kohti kuumaa päätä. Lämpötilagradientin muodostama epätasapainojakaumafunktio siirtyy sähkökentän vaikutuksesta ja muuttuu jossain määrin. Tuloksena oleva jakauma on sellainen, että virta on nolla. Sähkökentän voimakkuus on verrannollinen sen aiheuttaneeseen lämpötilagradienttiin.

Suhteellisuustekijän arvo ja sen etumerkki riippuvat materiaalin ominaisuuksista. On mahdollista havaita sähköinen Seebeck-kenttä ja mitata termoelektromotorinen voima vain eri materiaaleista koostuvassa piirissä. Potentiaalikontaktien erot vastaavat kosketuksiin joutuvien materiaalien kemiallisten potentiaalien eroja.

Peltier-efekti

Peltier-ilmiö on, että kun tasavirta kulkee kahdesta johtimesta tai puolijohteesta koostuvan termoparin läpi, kontaktipisteessä vapautuu tai imeytyy tietty määrä lämpöä (virran suunnasta riippuen).

Kun elektronit siirtyvät p-tyypin materiaalista n-tyypin materiaaliin sähköisen kosketuksen kautta, niiden on voitettava energiaeste ja otettava energia kidehilasta (kylmäliitos). Kääntäen, siirtyessään n-tyypin materiaalista p-tyypin materiaaliin, elektronit luovuttavat energiaa hilalle (kuuma liitos).

Peltier-efekti:

Thomsonin efekti

Thomson-ilmiö on se, että kun sähkövirta kulkee johtimen tai puolijohteen läpi, jossa muodostuu lämpötilagradientti, Joulen lämmön lisäksi vapautuu tai imeytyy tietty määrä lämpöä (virran suunnasta riippuen).

Fysikaalinen syy tähän vaikutukseen liittyy siihen, että vapaiden elektronien energia riippuu lämpötilasta. Tällöin elektronit saavat suuremman energian kuumassa yhdisteessä kuin kylmässä. Myös vapaiden elektronien tiheys kasvaa lämpötilan noustessa, mikä johtaa elektronien virtaukseen kuumasta päästä kylmään päähän.

Positiivinen varaus kerääntyy kuumaan päähän ja negatiivinen varaus kylmään päähän. Varausten uudelleenjakauma estää elektronien virtauksen ja pysäyttää sen tietyllä potentiaalierolla kokonaan.

Yllä kuvatut ilmiöt tapahtuvat samalla tavalla reikäjohtavissa aineissa, ainoana erona on, että negatiivinen varaus kerääntyy kuumaan päähän ja positiivisesti varautuneet reiät kylmään päähän. Siksi aineille, joilla on sekoitettu johtavuus, Thomson-ilmiö osoittautuu merkityksettömäksi.

Thomson-efekti:

Thomson-ilmiö ei ole löytänyt käytännön sovellusta, mutta sen avulla voidaan määrittää puolijohteiden epäpuhtauksien johtavuus.

Seebeckin ja Peltierin efektien käytännöllinen käyttö

Lämpösähköiset ilmiöt: Seebeckin ja Peltierin vaikutukset – löydä käytännöllinen sovellus konettomassa lämmössä sähköenergian muuntimiin – lämpösähköiset generaattorit (TEG), lämpöpumpuissa — jäähdytyslaitteissa, termostaateissa, ilmastointilaitteissa, mittaus- ja ohjausjärjestelmissä, kuten lämpötila-anturit, lämpövirta (katso — Lämpösähköiset muuntimet).

Lämpösähköisten laitteiden ytimessä ovat erityiset puolijohdeelementit-muuntimet (lämpöelementit, lämpösähköiset moduulit), kuten esimerkiksi TEC1-12706. Lue lisää täältä: Peltier-elementti - miten se toimii ja kuinka tarkistaa ja liittää