A Seebeck-effektus egy hőelektromos effektus , amelynek során két hőmérséklet- különbségnek kitett anyag találkozásánál potenciálkülönbség jelenik meg .
Ezt a fizikai jelenséget Thomas Johann Seebeck német fizikus fedezte fel 1821-ben. Észrevette, hogy az iránytű tűje elhajlik, ha két különböző természetű vezető közé helyezik, és amelyek csomópontjai nem azonos T hőmérsékletűek (lásd az ábrát). Ezt követően a mágneses mező megjelenésével magyarázza ezt a jelenséget , és ezért úgy véli, hogy magyarázatot ad a Föld mágneses mezőjének létezésére . Csak sokkal később értették meg a jelenség elektromos eredetét.
A legjobb ismert használata a Seebeck hatás hőmérséklet mérés hőelemek . Ez a hatás a hőelektromos hatású villamosenergia-termelés alapja is.
A szemközti ábra az alapvető hőelektromos áramkört mutatja. Két különböző természetű a és b vezetőképes anyagot az X és a W ponton elhelyezkedő két csomópont köt össze. A Seebeck-effektus esetén W és X között dT hőmérséklet-különbséget alkalmaznak, ami a dV potenciálkülönbség megjelenését eredményezi. Y és Z között.
Nyitott áramkörben az anyagpár, az S ab vagy a termoelektromos teljesítmény Seebeck-együtthatóját a következő határozza meg:
Ha T W > T X esetén a potenciálkülönbség olyan, hogy V Y > V Z , akkor S ab pozitív.
Az egyes anyagok Seebeck-együtthatóját a nyomaték-együtthatóval kapcsoljuk össze:
A Seebeck-együtthatót VK -1-ben (vagy általánosabban µV.K -1 - ben fejezzük ki, tekintve ennek az együtthatónak az értékeit a közös anyagokban).
William Thomson (Lord Kelvin) kimutatta, hogy a Seebeck-együttható a Peltier- és a Thomson- együtthatókhoz kapcsolódik:
ahol Π ab a Peltier együtthatója a pár, T a hőmérséklet (Kelvin) a csomópont venni, és τ van a Thomson együttható egyik anyag.
A gyakorlatban a Seebeck-együttható csak néhány anyagra mérhető. Ezért szükség van referenciára. Ezt az teszi lehetővé, hogy a szupravezető anyagok S Seebeck-együtthatója nulla. Valóban, a Seebeck-effektus kapcsolódik entrópia közlekedés által töltéshordozók az anyagon belül (elektronok vagy lyukak), de nem szállít entrópia a szupravezető állapot. Történelmileg az S ab értéke a Nb 3 Sn kritikus hőmérsékletéig (T c = 18 K ) mért Pb-Nb 3 Sn nyomaték esetén S Pb- ig 18 K-ig jutott . A Thomson-effektus szobahőmérsékletre történő mérése lehetővé tette az S Pb előállítását a teljes hőmérséklet-tartományban, amely referenciaanyagot eredményezett .
A Seebeck-együttható meghatározásának elve egy ismert hőmérséklet-különbség által kiváltott potenciálkülönbség meghatározásán alapul (lásd a diagramot).
Az a minta, amelynek Seebeck-együtthatója ismeretlen (S ismeretlen ), a hőhőmérsékletet eltávolító T hőmérsékletű termálfürdő és a mintát hővel ellátó T + dT hőmérsékletű melegítő között van rögzítve. Az utóbbit ezért hőmérséklet- gradiensnek tesszük ki , és potenciálkülönbség jelenik meg. Két azonos típusú hőelem , általában egy arany + vasötvözet , króm vagy konstantán , amelyek Seebeck-együtthatója ismert (S ref ), rögzülnek a mintán az a és b pontokban. Ezek a hőelemek lehetővé teszik a V a és V b potenciálok, valamint a T a és T b hőmérsékletek mérését . Az anyag Seebeck-együtthatóját ekkor kapjuk meg a következő összefüggéssel:
Figyelemre méltó, hogy két nagyon elterjedt és olcsó fém esetében az abszolút értékben a legmagasabb, de ellentétes előjelű Seebeck-együttható van: vas (+11,6 µV / K ) és nikkel (−8,5 µV / K ). Ezek a priori ideális párost alkotnak a hőelektromos generátor felépítéséhez: a vas érzékeny a korrózióra, de a rajta lerakódott nikkelréteg megvédi azt, ami lehetővé teszi dielektromos pár kialakítását egyetlen és egyedi vékony nikkelből kiindulva lemezes vaslemez. Bizonyos alkalmazásokban a hatékonyság növelhető, ha egy jó elektromos vezetővel, például rézzel ellátott szendvicsbe helyezzük őket, amely a nikkelezett vaslemezekben kiváltott potenciál visszanyerésére szolgál.
A kapott hőelemnek azonban viszonylag nagy ellenállása van, és ferromágneses hatást vált ki, amely nagy impedanciát generál. A gyakorlatban egy ilyen szerelvény lehetővé teszi, hogy kis teljesítmény mellett és kvázi egyenáramban működő hőmérséklet-érzékelővé alakítsák egy teljesítményerősítő tranzisztor lefolyásának biztosítására, amelynek célja hőmérsékletmérő műszerré történő átalakítása. Sokkal magasabb együtthatókat adnak olyan összetett, de szabályos kristályszerkezetű adalékolt félvezetőkről (amelyek tehát nem amorfak, a jó elektromos vezetőképesség érdekében), és amelyek doppingolásával ez a szerkezet nem szakad meg.
Az alábbi táblázat csak a tiszta (nem doppingolt) vegyületekre érvényes, normál kristályszerkezetükben. Referenciafémnek veszi a Hafniumot , amely szobahőmérsékleten (~ 300 K ) az egyik legjobb létező vezető, és amelynek Seebeck-együtthatóját ezután nulla értékre állítják, még akkor is, ha nehéz nagyon tiszta előállítani (gyakran jelentősen adalékolt marad cirkóniummal) ).
Atomic száma |
Elem | Szimbólum |
Seebeck-együttható µV / K-ban |
---|---|---|---|
03 | Lítium | Li | + 04.30 |
04 | Berillium | Lenni | - 02.50 |
11. | Nátrium | N / A | - 02.60 |
12. | Magnézium | Mg | - 02.10 |
13. | Alumínium | Al | - 02.20 |
19. | Kálium | K | - 05.20 |
20 | Kalcium | Azt | + 01,05 |
21 | Scandium | Sc | −14.30 |
22. | Titán | Ti | - 02, 00 |
23. | Vanádium | V | + 02.90 |
24. | Króm | Kr. | | + 05, 00 |
25 | Mangán | Mn | - 02.50 |
26. | Vas | Fe | +11,60 |
27. | Kobalt | Co | - 08.43 |
28. | Nikkel | Vagy | - 08.50 |
29. | Réz | Cu | + 01,19 |
30 | Cink | Zn | + 00,70 |
31 | Gallium | Ga | + 00,50 |
37 | Rubídium | Rb | - 03.60 |
38 | Stroncium | Sr | - 03, 00 |
39 | Ittrium | Y | - 05.10 |
40 | Cirkónium | Zr | + 04,40 |
41 | Nióbium | Nb | + 01,05 |
42 | Molibdén | Mo | + 00,10 |
43 | Technécium | Tc | - |
44. | Ruténium | Ru | + 00,30 |
45 | Ródium | Rh | + 00,80 |
46 | Palládium | Pd | + 01.10 |
47 | Ezüst | Ag | + 00,73 |
48 | Kadmium | CD | - 00,05 |
49 | Indium | Ban ben | + 00,56 |
50 | Ón | Sn | - 00,04 |
55 | Cézium | Cs | - |
56 | Bárium | Ba | - 04, 00 |
57 | Lantán | A | + 00,10 |
58 | Cérium | Ez | +13,60 |
59 | Praseodymium | Pr | - |
60 | Neodímium | Nd | - 04, 00 |
61 | Prométium | Délután | - |
62 | Szamárium | Sm | + 00,70 |
63 | Europium | Volt | + 05.30 |
64. | Gadolínium | Gd | - 04.60 |
65 | Terbium | Tuberkulózis | - 01.60 |
66 | Diszprózium | Dy | - 04.10 |
67 | Holmium | Ho | - 06.70 |
68 | Erbium | Er | - 03.80 |
69 | Túlium | Tm | - 01.30 |
70 | Itterbium | Yb | + 05.10 |
71. | Lutécium | Olvas | - 06.90 |
72 | Hafnium | HF | ± 00, 00 |
73. | Tantál | A te | + 00,70 |
74. | Volfrám | W | - 04.40 |
75 | Rénium | Újra | - 01.40 |
76 | Ozmium | Csont | - 03.20 |
77 | Iridium | Ir | + 01,42 |
78 | Platina | Pt | - |
79 | Arany | Nál nél | + 00,82 |
80 | Higany | Hg | - |
81. | Tallium | Tl | + 00,60 |
82 | Vezet | Pb | - 00,58 |
83. | Bizmut | Kettős | - |
90 | Tórium | Th | + 00,60 |
91 | Protactinium | Pa | - |
92 | Uránium | U | + 03, 00 |
93. | Neptúnium | Np | + 08,90 |
94. o | Plutónium | Tudott | +12, 00 |
Lehetőség van, hogy készítsen termoelektromos anyagok, amelyek átalakítani hő thermoelectricity nélkül mechanikus alkatrészek vagy mozgás. De egészen a közelmúltig az energiatermelés lehetősége olyan alacsony volt, hogy nem tartották nyereségesnek sem nagyüzemi, sem nagy produkciók esetében. Ez volt fenntartva drága atomi halom a űrszondák , vagy bekapcsolását csendes kis „motor”.
2015-ben az olasz és svájci tudósok által Genovában, Genfben és Cagliariban, az olasz kutatóintézetekkel együttműködve végzett kutatási eredmények eredményeit a Nature Communications folyóirat tette közzé . Sokkal magasabb hozamokat sugallnak bizonyos nagyon jó energiaátalakítási együtthatójú, hőálló és nem mérgező oxidok használatának köszönhetően . A tesztek lehetővé tették a hőmérsékleti rekordok elérését alacsony hőmérsékleten. A jövőben a hőgépek, az autómotorok vagy a számítógépes processzorok az elvezetett hőt és a pazarolt hőt elektromos energiává alakíthatják.
Között a vizsgált anyagokat (amelyeket szintén bizonyos jellemzőit, termikus vezetőképesség és elektromos vezetőképesség ) is megjelennek kalkogenidek és molibdén-oxidok , különösen két oxid LaAlO3 és SrTiO3 .
Jean-Marc Triscone (az UNIGE-től), az oxidok közötti interfészek szakembere szerint "ilyen meglepő módon jelzik az anyagban rekedt elektronok jelenlétét" , ez az elektronikus állapot, amelyet régóta keresnek, de soha nem figyeltek meg pontosan. Daniele Marré a genovai egyetem és a CNR-SPIN-hez kapcsolódik. Az atomok ezen viselkedésének értelmezési elméleti modelljét Alessio Filippetti csapata dolgozta ki a cagliari CNR-IOM-tól.
A Peltier-effektusnak nevezett fordított elv például lehetővé teszi, hogy a mini-hűtőszekrények elektromos feszültségből hideget termeljenek .