Efecte termoelectrice Seebeck, Peltier și Thomson

Funcționarea frigiderelor și generatoarelor termoelectrice se bazează pe fenomene termoelectrice. Acestea includ efectele Seebeck, Peltier și Thomson. Aceste efecte sunt legate atât de conversia energiei termice în energie electrică, cât și de conversia energiei electrice în energie rece.

Proprietățile termoelectrice ale firelor se datorează conexiunilor dintre căldură și curenții electrici:

• Efect Seebeck — apariție termo-EMF într-un lanț de fire inegale, la diferite temperaturi ale secțiunilor sale;
• Efectul Peltier — absorbția sau eliberarea de căldură la contactul a doi conductori diferiți atunci când trece un curent electric continuu prin ei;
• Efectul Thomson — absorbția sau eliberarea de căldură (super-joule) în volumul unui conductor atunci când trece printr-un pol, curent electric în prezența unui gradient de temperatură.

Efectele Seebeck, Peltier și Thompson se numără printre fenomenele cinetice. Ele sunt legate de procesele de mișcare a sarcinii și energiei, de aceea sunt adesea numite fenomene de transfer.Fluxurile direcționale de sarcină și energie într-un cristal sunt generate și menținute de forțe externe: câmp electric, gradient de temperatură.

Fluxul direcțional al particulelor (în special purtători de sarcină — electroni și găuri) apare și în prezența unui gradient de concentrație al acestor particule. Câmpul magnetic în sine nu creează fluxuri direcționate de sarcină sau energie, dar afectează fluxurile create de alte influențe externe.

efect Seebekov

Efectul Seebeck este că, dacă într-un circuit electric deschis format din mai mulți conductori diferiți unul dintre contacte menține temperatura T1 (joncțiune fierbinte), iar celălalt temperatura T2 (joncțiune rece), atunci cu condiția ca T1 să nu fie egal cu T2 la capete apare pe circuit o forta termoelectromotoare E. Cand contactele sunt inchise, in circuit apare un curent electric.

Efectul Seebekov:

În prezența unui gradient de temperatură în conductor, fluxul de difuzie termică a purtătorilor de sarcină are loc de la capătul fierbinte la capătul rece. Dacă circuitul electric este deschis, atunci purtătorii se acumulează la capătul rece, încărcându-l negativ dacă aceștia sunt electroni și pozitiv în cazul conducției orificiului. În acest caz, sarcina ionică necompensată rămâne la capătul fierbinte.

Câmpul electric rezultat încetinește mișcarea purtătorilor către capătul rece și accelerează mișcarea purtătorilor către capătul fierbinte. Funcția de distribuție de neechilibru formată de gradientul de temperatură se deplasează sub acțiunea câmpului electric și se deformează într-o oarecare măsură. Distribuția rezultată este astfel încât curentul este zero. Puterea câmpului electric este proporțională cu gradientul de temperatură care l-a cauzat.

Valoarea factorului de proporționalitate și semnul acestuia depind de proprietățile materialului. Este posibil să se detecteze câmpul electric Seebeck și să se măsoare forța termoelectromotoare numai într-un circuit compus din diferite materiale. Diferențele de contacte de potențial corespund diferenței de potențiale chimice ale materialelor care vin în contact.

Efectul Peltier

Efectul Peltier este că atunci când un curent continuu trece printr-un termocuplu format din doi conductori sau semiconductori, o anumită cantitate de căldură este eliberată sau absorbită în punctul de contact (în funcție de direcția curentului).

Când electronii se mută de la un material de tip p la un material de tip n printr-un contact electric, ei trebuie să depășească o barieră energetică și să ia energie din rețeaua cristalină (joncțiunea rece) pentru a face acest lucru. În schimb, când trec de la un material de tip n la un material de tip p, electronii donează energie rețelei (joncțiune fierbinte).

Efectul Peltier:

efectul Thomson

Efectul Thomson este că atunci când un curent electric trece printr-un conductor sau semiconductor în care se creează un gradient de temperatură, pe lângă căldura Joule, o anumită cantitate de căldură este eliberată sau absorbită (în funcție de direcția curentului).

Motivul fizic al acestui efect este legat de faptul că energia electronilor liberi depinde de temperatură. Atunci electronii dobândesc o energie mai mare în compusul fierbinte decât în ​​cel rece. De asemenea, densitatea electronilor liberi crește odată cu creșterea temperaturii, rezultând un flux de electroni de la capătul fierbinte la capătul rece.

Sarcina pozitivă se acumulează la capătul fierbinte, iar sarcina negativă la capătul rece. Redistribuirea sarcinilor împiedică fluxul de electroni și, la o anumită diferență de potențial, o oprește complet.

Fenomenele descrise mai sus se produc în mod similar în substanțele cu conducție prin orificiu, singura diferență fiind că sarcina negativă se acumulează la capătul fierbinte și găurile încărcate pozitiv la capătul rece. Prin urmare, pentru substanțele cu conductivitate mixtă, efectul Thomson se dovedește a fi neglijabil.

Efectul Thomson:

Efectul Thomson nu a găsit aplicație practică, dar poate fi folosit pentru a determina tipul de conductivitate a impurităților semiconductorilor.

Utilizarea practică a efectelor Seebeck și Peltier

Fenomene termoelectrice: efectele Seebeck și Peltier — găsiți aplicații practice în convertoarele de căldură fără mașini la energie electrică — generatoare termoelectrice (TEG), în pompe de căldură — dispozitive de răcire, termostate, aparate de aer condiționat, în sisteme de măsurare și control, cum ar fi senzori de temperatură, debit de căldură (vezi — Convertoare termoelectrice).

În centrul dispozitivelor termoelectrice se află elemente speciale semiconductoare-transductoare (termoelemente, module termoelectrice), de exemplu, cum ar fi TEC1-12706. Citiți mai multe aici: Element Peltier - cum funcționează și cum se verifică și se conectează