Termoelektriskais efekts

Termoelektriskais efekts ir fiziska parādība, kad temperatūras starpība vielā rada elektrisko spriegumu un pretēji – uzliekot spriegumu starp materiāla pretējām pusēm vai malām, tiek radīta temperatūras starpība vielā. Termoelektriskās ierīcēs tiek izmantoti speciāli materiāli, kuros rodas spriegums, ja uz to dažādām virsmām ir temperatūras starpība. Tāpat ir iespējams iegūt pretēju efektu – ja tiek pielikta sprieguma starpība, tad siltums no vienas puses aizplūst uz otru un rezultātā viena ierīces puse sasilst, bet otra atdziest. Atomu līmenī šo efektu var skaidrot ar to, ka siltajā pusē vielas atomiem/molekulām ir lielāka enerģija, kas izraisa lādiņnesēju difūziju uz apgabalu ar zemāku temperatūru.

Šo efektu var izmantot, lai iegūtu elektrību, mērītu temperatūru vai arī mainītu to. Tā kā virsma, kura sasilst vai atdziest, ir atkarīga no pieliktā sprieguma virziena, tad šādas ierīces iespējams izmantot kā temperatūras regulētājus.

Jēdziens “termoelektriskais efekts” sevī ietver trīs dažādus efektus: Zēbeka efektu, Peltjē efektu un Tomsona efektu. Tomsona efektu atklāja angļu fiziķis, matemātiķis un inženieris Viljams Tomsons.  Zēbeka efekts un Peltjē efekts principiāli apraksta vienu un to pašu fizikālo procesu, tāpēc dažreiz tas tiek saukts arī par Peltjē-Zēbeka efektu.

Džoula siltuma efekts ir siltums, kas tiek radīts, ja caur materiālu plūst strāva, taču tas parasti netiek saukts par termoelektrisko efektu. Peltjē, Zēbeka un Tomsona efekti ir termodinamiski atgriezeniski, taču Džaoula siltuma efekts nav.

Zēbeka efekts

Zēbeka efekts ir sprieguma rašanās materiālā, ja tam pielikts temperatūras gradients. Šis efekts tiek izmantots termopāros, kuros tiek mērīts spriegums, kas radies divos dažādos materiālos, uz kuru galiem ir temperatūras strapība. Radusies spriegumu starpība ir proporcionāla temperatūru starpībai starp karsto un auksto pusi. Pirmo reizi šo parādību atklāja itāļu zinātnieks Alesandro Volta 1794. gadā, taču efekts ir nosaukts par godu fiziķim Tomasam Johanam Zēbekam, kurš 1821. gadā neatkarīgi vēlreiz atklāja šo efektu. Zēbeks novēroja, ka kompasa adata maina savu virzienu, kad tiek novietota tuvumā diviem dažādu metālu vadiem, kas ir savienoti abos galos un starp šiem savienojumiem ir temperatūras starpība. Lai šo labāk izprastu, jāsaprot, kas materiālā notiek mikroskopiskā līmenī.

Slēgums^{[novecojusi saite]}, kurā izmantoti materiāli ar dažādiem Zēbeka koeficientiem, kas kalpo kā termoelektrisks dzesētājs.

Vadošos materiālos ir daudz lādiņnesēju (piemēram, elektonu), kuri visu laiku temperatūras ietekmē vairāk vai mazāk kustas šajā materiālā. Zināms, ka lādiņu kustības rezultātā rodas strāva, taču kamēr materiālam nav pielikta temperatūras vai sprieguma starpība, šī kustība notiek dažādos virzienos, tāpēc makroskopiska līmenī netiek novērota strāvas plūšana. Taču, ja materiālam pieliek temperatūras starpību, tad brīvie elektroni karstajā galā iegūs lielāku enerģiju un no karstā gala pārvietosies uz auksto pusi. Jāņem vērā, ka dažādos materiālos šis process notiek ar atšķirīgu efektivitāti jeb elektronu plūsma vienā materiālā būs lielāka nekā citā un tātad izveidosies atšķirīga potenciālu starpība. Efektu var novērot arī pretējā gadījumā, kur, materiālam pieliekot spriegumu, brīvie elektroni pārvietosies no vienas materiāla puses uz otru, šādā veidā pārnesot siltumu un attiecīgi tiks novērota temperatūras starpība.

Vienkāršots^{[novecojusi saite]} termopāra darbības princips, kur kopā savienoti dzelzs (Fe) un vara (Cu) vadi.

Termopāra gadījumā atšķirīgo materiālu savienojuma vietā jābūt vienādam ķīmiskajam potenciālam uz abu materiālu virsmām, kas tiek panākts ar lādiņu plūsmu no materiāla ar augstāku ķīmisko potenciālu un materiālu ar zemāku ķīmisko potenciālu.  Šī atšķirība izraisa elektrisko potenciālu starpību starp diviem savienojumiem, kas savukārt rada strāvu un tātad arī magnētisko lauku ap šiem vadiem. Zēbeks, veicot šo eksperimentu, nesaprata, ka viņa izmantotajā noslēgtajā ķēdē plūst strāva, bet novēroja tikai magnētisko lauku, tāpēc viņš šo efektu nodēvēja par “termomagnētisko efektu”. Dāņu fiziķis Hanss Kristians Ersteds pamanīja šo kļūdu un izlaboja terminu uz “termoelektriskais efekts”.

No Zēbeka koeficienta zīmes iespējams noteikt lādiņu vairākumnesēju zīmi. Pozitīvs koeficients norāda ka tie ir caurumi (p-tipa pusvadītājos), negatīvs – elektroni (n-tipa pusvadītājos un metālos).

$S=-\Delta V/\Delta T$

kur S ir Zēbeka koeficients, $\Delta V$ ir potenciālu starpība materiālā, $\Delta T$ ir temperatūras starpība materiālā. Zēbeka koeficienta mērvienība SI sistēmā ir volts/kelvins [V/K]. Jāņem vērā, ka tiešā veidā Zēbeka izraisīto sprieguma starpību nav iespējams noteikt, jo jebkurš mērījums tiek veikts ar voltometru, kurā pašā rodas papildus sprieguma starpība, kuru izraisa atšķirīgās temperatūras. Šādā mērījumā iespējams noteikt relatīvo Zēbeka koeficientu. Vispārīgā gadījumā Zēbeka koeficientu mēra kā temperatūras starpības ietekmē radušos strāvu, ko var aprakstīt ar diferenciālvienādojumu

$J=-\sigma \nabla V-\sigma S\nabla T$

kur $J$ ir strāvas blīvums, $\sigma$ - elektriskā vadītspēja, $\nabla V$- sprieguma gradients, $S$ - Zēbeka koeficients, $\nabla T$ - temperatūras gradients. Speciālgadījumā, kad strāva neplūst $J=0$

$\nabla V=-S\nabla T$

Zēbeka koeficients ir atšķirīgs katram materiālam, kā arī variē dažādos temperatūru diapazonos vienam un tam pašam materiālam. Materiālos, kuros novērojams Zēbeka efekts, istabas temperatūrā Zēbeka koeficients ir aptuvenino -100 μV/K līdz + 1000 μV/K.