Ջերմային երևույթները ֆիզիկայի առանձին թեմա են, որտեղ նրանք դիտարկում են, թե ինչպես է ջերմաստիճանը կարող արտադրել էլեկտրաէներգիա, և վերջիններս հանգեցնում են ջերմաստիճանի փոփոխության։ Առաջին հայտնաբերված ջերմաէլեկտրական երևույթներից մեկը Զեբեկի էֆեկտն էր։
Էֆեկտը բացելու նախադրյալներ
1797 թվականին իտալացի ֆիզիկոս Ալեսանդրո Վոլտան, հետազոտություններ կատարելով էլեկտրաէներգիայի ոլորտում, հայտնաբերեց զարմանալի երևույթներից մեկը. նա հայտնաբերեց, որ երկու պինդ նյութերի շփման ժամանակ պոտենցիալ տարբերություն է առաջանում շփման տարածքում: Այն կոչվում է շփման տարբերություն: Ֆիզիկապես այս փաստը նշանակում է, որ տարբեր նյութերի շփման գոտին ունի էլեկտրաշարժիչ ուժ (EMF), որը կարող է հանգեցնել փակ շղթայում հոսանքի առաջացմանը: Եթե այժմ երկու նյութ միացված են մեկ շղթայում (նրանց միջև երկու կոնտակտ ձևավորելու համար), ապա դրանցից յուրաքանչյուրի վրա կհայտնվի նշված EMF-ը, որը կլինի նույնը մեծությամբ, բայց հակառակ նշանով: Վերջինս բացատրում է, թե ինչու հոսանք չի առաջանում։
EMF-ի առաջացման պատճառը Fermi-ի տարբեր մակարդակն է (էներգիաէլեկտրոնների վալենտային վիճակներ) տարբեր նյութերում։ Երբ վերջիններս շփվում են, Ֆերմիի մակարդակը իջնում է (մի նյութում այն նվազում է, մյուսում՝ բարձրանում): Այս գործընթացը տեղի է ունենում շփման միջոցով էլեկտրոնների անցման պատճառով, ինչը հանգեցնում է EMF-ի առաջացմանը:
Անմիջապես պետք է նշել, որ EMF-ի արժեքը չնչին է (վոլտի մի քանի տասներորդական կարգի):
Թոմաս Զեբեքի բացահայտումը
Թոմաս Զեբեքը (գերմանացի ֆիզիկոս) 1821 թվականին, այսինքն՝ Վոլտի կողմից շփման պոտենցիալ տարբերության հայտնաբերումից 24 տարի անց, կատարեց հետևյալ փորձը. Նա միացրեց բիսմուտի և պղնձի մի ափսե, իսկ կողքին դրեց մագնիսական ասեղ։ Այս դեպքում, ինչպես նշվեց վերևում, հոսանք տեղի չի ունեցել: Բայց հենց որ գիտնականը այրիչի բոցը հասցրեց երկու մետաղների կոնտակտներից մեկին, մագնիսական ասեղը սկսեց պտտվել։
Այժմ մենք գիտենք, որ ամպերի ուժը, որը ստեղծվել է ընթացիկ կրող հաղորդիչի կողմից, ստիպել է այն շրջվել, բայց այն ժամանակ Զեբեքը չգիտեր դա, ուստի նա սխալմամբ ենթադրել է, որ մետաղների առաջացած մագնիսացումը տեղի է ունենում ջերմաստիճանի արդյունքում: տարբերություն։
Այս երևույթի ճիշտ բացատրությունը մի քանի տարի անց տվեց դանիացի ֆիզիկոս Հանս Օրսթեդը, ով նշեց, որ խոսքը ջերմաէլեկտրական պրոցեսի մասին է, և փակ շղթայով հոսում է հոսանք։ Այնուամենայնիվ, Թոմաս Զեբեքի հայտնաբերած ջերմաէլեկտրական էֆեկտը ներկայումս կրում է նրա ազգանունը։
Ընթացիկ գործընթացների ֆիզիկա
Եվս մեկ անգամ նյութը համախմբելու համար. Seebeck էֆեկտի էությունը դրդելն էէլեկտրական հոսանք՝ տարբեր նյութերի երկու կոնտակտների տարբեր ջերմաստիճանների պահպանման արդյունքում, որոնք կազմում են փակ շղթա։
Որպեսզի հասկանաք, թե ինչ է կատարվում այս համակարգում և ինչու է հոսանքը սկսում հոսել դրանում, պետք է ծանոթանաք երեք երևույթի.
- Առաջինն արդեն նշվել է. սա EMF-ի գրգռումն է շփման տարածաշրջանում Ֆերմի մակարդակների հավասարեցման պատճառով: Նյութերում այս մակարդակի էներգիան փոխվում է, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում կամ նվազում է: Վերջին փաստը կհանգեցնի հոսանքի առաջացմանը, եթե երկու կոնտակտներ փակ են շղթայում (տարբեր ջերմաստիճաններում մետաղների շփման գոտում հավասարակշռության պայմանները տարբեր կլինեն):
- Լիցքակիրների տեղափոխման գործընթացը տաք շրջաններից սառը շրջաններ. Այս էֆեկտը կարելի է հասկանալ, եթե հիշենք, որ մետաղների էլեկտրոնները և էլեկտրոնները և կիսահաղորդիչների անցքերը առաջին մոտավորությամբ կարելի է համարել իդեալական գազ: Ինչպես հայտնի է, վերջինս փակ ծավալով տաքացնելիս մեծացնում է ճնշումը։ Այլ կերպ ասած, շփման գոտում, որտեղ ջերմաստիճանն ավելի բարձր է, էլեկտրոնի (անցք) գազի «ճնշումը» նույնպես ավելի բարձր է, ուստի լիցքակիրները հակված են գնալ դեպի նյութի ավելի սառը տարածքներ, այսինքն՝ դեպի այլ շփում։
- Վերջապես, մեկ այլ երևույթ, որը հանգեցնում է Զեբեքի էֆեկտում հոսանքի առաջացմանը, ֆոնոնների (ցանցային թրթռանքների) փոխազդեցությունն է լիցքակիրների հետ։ Իրավիճակը նման է ֆոնոնի, որը տաք հանգույցից տեղափոխվում է սառը հանգույց, «խփում» է էլեկտրոնի (անցք) և լրացուցիչ էներգիա հաղորդում նրան։
Նշել է երեք գործընթացարդյունքում որոշվում է նկարագրված համակարգում հոսանքի առաջացումը։
Ինչպե՞ս է նկարագրվում այս ջերմաէլեկտրական երևույթը:
Շատ պարզ, դրա համար նրանք ներմուծում են որոշակի պարամետր S, որը կոչվում է Seebeck գործակից: Պարամետրը ցույց է տալիս, թե արդյոք EMF-ի արժեքը առաջանում է, եթե շփման ջերմաստիճանի տարբերությունը պահպանվում է հավասար 1 Կելվինի (աստիճան Ցելսիուս): Այսինքն՝ կարող եք գրել՝
S=ΔV/ΔT.
Այստեղ ΔV-ն շղթայի EMF-ն է (լարումը), ΔT-ն տաք և սառը հանգույցների (շփման գոտիների) միջև ջերմաստիճանի տարբերությունն է: Այս բանաձևը մոտավորապես ճիշտ է, քանի որ S-ը հիմնականում կախված է ջերմաստիճանից:
Զեբեքի գործակցի արժեքները կախված են շփվող նյութերի բնույթից: Այնուամենայնիվ, միանշանակ կարող ենք ասել, որ մետաղական նյութերի համար այս արժեքները հավասար են միավորների և տասնյակ μV/K-ի, մինչդեռ կիսահաղորդիչների համար դրանք հարյուրավոր μV/K են, այսինքն՝ կիսահաղորդիչներն ունեն մեծության ավելի մեծ ջերմաէլեկտրական ուժ, քան մետաղները։. Այս փաստի պատճառը կիսահաղորդիչների բնութագրերի ավելի ուժեղ կախվածությունն է ջերմաստիճանից (հաղորդականություն, լիցքակիրների կոնցենտրացիան):
Գործընթացի արդյունավետություն
Ջերմությունը էլեկտրաէներգիա փոխանցելու զարմանալի փաստը մեծ հնարավորություններ է բացում այս երեւույթի կիրառման համար։ Այնուամենայնիվ, իր տեխնոլոգիական օգտագործման համար կարևոր է ոչ միայն գաղափարը, այլև քանակական բնութագրերը։ Նախ, ինչպես ցույց է տրվել, ստացված emf-ը բավականին փոքր է: Այս խնդիրը կարելի է շրջանցել՝ օգտագործելով մեծ թվով հաղորդիչների սերիական միացում (որոնքկատարվում է Peltier բջիջում, որը կքննարկվի ստորև):
Երկրորդ՝ խոսքը ջերմաէլեկտրաէներգիայի արտադրության արդյունավետության մասին է։ Եվ այս հարցը մինչ օրս բաց է մնում։ Seebeck էֆեկտի արդյունավետությունը չափազանց ցածր է (մոտ 10%): Այսինքն՝ ծախսված ողջ ջերմությունից միայն դրա տասներորդ մասը կարող է օգտագործվել օգտակար աշխատանք կատարելու համար։ Աշխարհի բազմաթիվ լաբորատորիաներ փորձում են բարձրացնել այդ արդյունավետությունը, ինչը հնարավոր է անել նոր սերնդի նյութերի մշակման միջոցով, օրինակ՝ օգտագործելով նանոտեխնոլոգիա։
Օգտագործելով Seebeck-ի հայտնաբերած էֆեկտը
Չնայած ցածր արդյունավետությանը, այն դեռ գտնում է իր կիրառությունը: Ստորև ներկայացված են հիմնական ոլորտները՝
- Ջերմազույգ. Seebeck էֆեկտը հաջողությամբ օգտագործվում է տարբեր առարկաների ջերմաստիճանը չափելու համար: Փաստորեն, երկու կոնտակտներից բաղկացած համակարգը ջերմակույտ է: Եթե հայտնի են նրա S գործակիցը և ծայրերից մեկի ջերմաստիճանը, ապա շղթայում առաջացող լարումը չափելով հնարավոր է հաշվարկել մյուս ծայրի ջերմաստիճանը։ Ջերմազույգերը օգտագործվում են նաև ճառագայթային (էլեկտրամագնիսական) էներգիայի խտությունը չափելու համար։
- Էլեկտրաէներգիայի արտադրություն տիեզերական զոնդերի վրա. Մարդկանց արձակած զոնդերը՝ մեր արեգակնային համակարգը կամ դրանից դուրս ուսումնասիրելու համար, օգտագործում են Seebeck էֆեկտը՝ նավի վրա գտնվող էլեկտրոնիկան սնուցելու համար: Դա արվում է ճառագայթային ջերմաէլեկտրական գեներատորի շնորհիվ:
- Զեբեքի էֆեկտի կիրառումը ժամանակակից մեքենաներում: BMW-ն և Volkswagen-ը հայտարարեցինիրենց մեքենաներում ջերմաէլեկտրական գեներատորների հայտնվելը, որոնք կօգտագործեն արտանետվող խողովակից արտանետվող գազերի ջերմությունը։
Այլ ջերմաէլեկտրական էֆեկտներ
Կա երեք ջերմաէլեկտրական էֆեկտ՝ Զեբեկ, Պելտիեր, Թոմսոն: Առաջինի էությունն արդեն դիտարկվել է։ Ինչ վերաբերում է Peltier էֆեկտին, ապա այն բաղկացած է մի կոնտակտի տաքացումից և մյուսի սառեցումից, եթե վերը քննարկված շղթան միացված է արտաքին հոսանքի աղբյուրին: Այսինքն՝ Զեբեկի և Պելտիերի էֆեկտները հակառակ են։
Թոմսոնի էֆեկտն ունի նույն բնույթը, բայց այն դիտարկվում է նույն նյութի վրա: Դրա էությունը ջերմության արտանետումն է կամ կլանումը հաղորդիչի միջոցով, որի միջով հոսում է հոսանքը և որի ծայրերը պահպանվում են տարբեր ջերմաստիճաններում։
Peltier բջիջ
Երբ խոսում են Seebeck էֆեկտով ջերմագեներատորի մոդուլների արտոնագրերի մասին, ապա, իհարկե, առաջին բանը, որ հիշում են, Peltier բջիջն է։ Այն իրենից ներկայացնում է կոմպակտ սարք (4x4x0.4 սմ)՝ պատրաստված n- և p-տիպի հաղորդիչների շարքից, որոնք միացված են հաջորդաբար։ Դուք կարող եք այն ինքներդ պատրաստել: Զեբեքի և Պելտիերի էֆեկտները նրա աշխատանքի հիմքում են: Լարումները և հոսանքները, որոնցով այն աշխատում է, փոքր են (3-5 Վ և 0,5 Ա): Ինչպես նշվեց վերևում, դրա աշխատանքի արդյունավետությունը շատ փոքր է (≈10%)։
Այն օգտագործվում է այնպիսի առօրյա խնդիրներ լուծելու համար, ինչպիսիք են բաժակի մեջ ջուր տաքացնելը կամ հովացնելը կամ բջջային հեռախոսը լիցքավորելը:
