Fenomena termoelektrik adalah topik terpisah dalam fisika, di mana mereka mempertimbangkan bagaimana suhu dapat menghasilkan listrik, dan yang terakhir menyebabkan perubahan suhu. Salah satu fenomena termoelektrik yang pertama kali ditemukan adalah efek Seebeck.
Prasyarat untuk membuka efek
Pada tahun 1797, fisikawan Italia Alessandro Volta, yang melakukan penelitian di bidang kelistrikan, menemukan salah satu fenomena yang menakjubkan: ia menemukan bahwa ketika dua bahan padat bersentuhan, perbedaan potensial muncul di bidang kontak. Ini disebut perbedaan kontak. Secara fisik, fakta ini berarti bahwa zona kontak bahan yang berbeda memiliki gaya gerak listrik (EMF) yang dapat menyebabkan munculnya arus dalam rangkaian tertutup. Jika sekarang dua bahan dihubungkan dalam satu sirkuit (untuk membentuk dua kontak di antara mereka), maka EMF yang ditentukan akan muncul pada masing-masing dari mereka, yang besarnya akan sama, tetapi berlawanan tanda. Yang terakhir menjelaskan mengapa tidak ada arus yang dihasilkan.
Alasan munculnya EMF adalah tingkat Fermi (energi.) yang berbedakeadaan valensi elektron) dalam bahan yang berbeda. Ketika yang terakhir bersentuhan, tingkat Fermi turun (dalam satu bahan berkurang, di bahan lain meningkat). Proses ini terjadi karena lewatnya elektron melalui kontak, yang mengarah pada munculnya EMF.
Perlu dicatat segera bahwa nilai EMF dapat diabaikan (dalam urutan beberapa persepuluh volt).
Penemuan Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (fisikawan Jerman) pada tahun 1821, yaitu 24 tahun setelah penemuan beda potensial kontak oleh Volt, melakukan percobaan berikut. Dia menghubungkan sepiring bismut dan tembaga, dan menempatkan jarum magnet di sebelahnya. Dalam hal ini, seperti disebutkan di atas, tidak ada arus yang terjadi. Tapi begitu ilmuwan membawa nyala api kompor ke salah satu kontak dari dua logam, jarum magnet mulai berputar.
Sekarang kita tahu bahwa gaya Ampere yang diciptakan oleh konduktor pembawa arus menyebabkannya berputar, tetapi pada saat itu Seebeck tidak mengetahuinya, jadi dia secara keliru berasumsi bahwa magnetisasi logam yang diinduksi terjadi sebagai akibat dari suhu perbedaan.
Penjelasan yang benar untuk fenomena ini diberikan beberapa tahun kemudian oleh fisikawan Denmark Hans Oersted, yang menunjukkan bahwa kita berbicara tentang proses termoelektrik, dan arus mengalir melalui sirkuit tertutup. Namun demikian, efek termoelektrik yang ditemukan oleh Thomas Seebeck saat ini menyandang nama belakangnya.
Fisika dari proses yang sedang berlangsung
Sekali lagi untuk mengkonsolidasikan materi: inti dari efek Seebeck adalah untuk menginduksiarus listrik sebagai akibat dari mempertahankan suhu yang berbeda dari dua kontak bahan yang berbeda, yang membentuk sirkuit tertutup.
Untuk memahami apa yang terjadi dalam sistem ini, dan mengapa arus mulai mengalir di dalamnya, Anda harus mengenal tiga fenomena:
- Yang pertama telah disebutkan - ini adalah eksitasi EMF di wilayah kontak karena penyelarasan level Fermi. Energi tingkat ini dalam bahan berubah ketika suhu naik atau turun. Fakta terakhir akan menyebabkan munculnya arus jika dua kontak ditutup dalam suatu rangkaian (kondisi kesetimbangan di zona kontak logam pada suhu yang berbeda akan berbeda).
- Proses pemindahan pembawa muatan dari daerah panas ke dingin. Efek ini dapat dipahami jika kita ingat bahwa elektron dalam logam dan elektron dan hole dalam semikonduktor, dalam pendekatan pertama, dapat dianggap sebagai gas ideal. Seperti diketahui, yang terakhir, ketika dipanaskan dalam volume tertutup, meningkatkan tekanan. Dengan kata lain, di zona kontak, di mana suhunya lebih tinggi, "tekanan" gas elektron (lubang) juga lebih tinggi, sehingga pembawa muatan cenderung pergi ke area material yang lebih dingin, yaitu ke kontak lain.
- Terakhir, fenomena lain yang menyebabkan munculnya arus dalam efek Seebeck adalah interaksi fonon (getaran kisi) dengan pembawa muatan. Situasinya terlihat seperti fonon, bergerak dari sambungan panas ke sambungan dingin, "menabrak" elektron (lubang) dan memberikan energi tambahan padanya.
Menandai tiga prosesakibatnya, kemunculan arus dalam sistem yang dijelaskan ditentukan.
Bagaimana fenomena termoelektrik ini dijelaskan?
Sangat sederhana, untuk ini mereka memperkenalkan parameter tertentu S, yang disebut koefisien Seebeck. Parameter tersebut menunjukkan jika nilai EMF diinduksi jika perbedaan suhu kontak dipertahankan sama dengan 1 Kelvin (derajat Celcius). Artinya, Anda dapat menulis:
S=V/ΔT.
Di sini V adalah EMF rangkaian (tegangan), T adalah perbedaan suhu antara sambungan panas dan dingin (zona kontak). Rumus ini hanya kurang lebih benar, karena S umumnya bergantung pada suhu.
Nilai koefisien Seebeck bergantung pada sifat bahan yang bersentuhan. Namun demikian, kita dapat dengan pasti mengatakan bahwa untuk bahan logam, nilai-nilai ini sama dengan satuan dan puluhan V/K, sedangkan untuk semikonduktor adalah ratusan V/K, yaitu, semikonduktor memiliki urutan kekuatan termoelektrik yang lebih besar daripada logam.. Alasan untuk fakta ini adalah ketergantungan yang lebih kuat dari karakteristik semikonduktor pada suhu (konduktivitas, konsentrasi pembawa muatan).
Efisiensi proses
Fakta mengejutkan dari perpindahan panas menjadi listrik membuka peluang besar untuk penerapan fenomena ini. Namun demikian, untuk penggunaan teknologinya, tidak hanya gagasan itu sendiri yang penting, tetapi juga karakteristik kuantitatif. Pertama, seperti yang telah ditunjukkan, ggl yang dihasilkan cukup kecil. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan sambungan seri dari sejumlah besar konduktor (yang:dilakukan di sel Peltier, yang akan dibahas di bawah).
Kedua, ini adalah masalah efisiensi pembangkit termoelektrik. Dan pertanyaan ini tetap terbuka sampai hari ini. Efisiensi efek Seebeck sangat rendah (sekitar 10%). Artinya, dari semua panas yang dikeluarkan, hanya sepersepuluhnya yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Banyak laboratorium di seluruh dunia berusaha meningkatkan efisiensi ini, yang dapat dilakukan dengan mengembangkan material generasi baru, misalnya menggunakan nanoteknologi.
Menggunakan efek yang ditemukan oleh Seebeck
Meskipun efisiensinya rendah, ia masih dapat digunakan. Di bawah ini adalah area utama:
- Termokopel. Efek Seebeck berhasil digunakan untuk mengukur suhu berbagai objek. Sebenarnya, sistem dua kontak adalah termokopel. Jika koefisien S dan suhu salah satu ujungnya diketahui, maka dengan mengukur tegangan yang terjadi pada rangkaian, dimungkinkan untuk menghitung suhu ujung yang lain. Termokopel juga digunakan untuk mengukur kerapatan energi radiasi (elektromagnetik).
- Pembangkitan listrik pada wahana antariksa. Probe yang diluncurkan manusia untuk menjelajahi tata surya kita atau di luarnya menggunakan efek Seebeck untuk memberi daya pada elektronik di dalamnya. Ini dilakukan berkat generator termoelektrik radiasi.
- Penerapan efek Seebeck di mobil modern. BMW dan Volkswagen mengumumkankemunculan generator termoelektrik di mobil mereka yang akan menggunakan panas dari gas yang dikeluarkan dari pipa knalpot.
Efek termoelektrik lainnya
Ada tiga efek termoelektrik: Seebeck, Peltier, Thomson. Inti dari yang pertama telah dipertimbangkan. Adapun efek Peltier, terdiri dari pemanasan satu kontak dan pendinginan yang lain, jika rangkaian yang dibahas di atas terhubung ke sumber arus eksternal. Artinya, efek Seebeck dan Peltier berlawanan.
Efek Thomson memiliki sifat yang sama, tetapi dianggap pada bahan yang sama. Esensinya adalah pelepasan atau penyerapan panas oleh konduktor yang melaluinya arus mengalir dan ujungnya dipertahankan pada suhu yang berbeda.
sel Peltier
Ketika berbicara tentang paten untuk modul termo-generator dengan efek Seebeck, maka, tentu saja, hal pertama yang mereka ingat adalah sel Peltier. Ini adalah perangkat kompak (4x4x0,4 cm) yang terbuat dari serangkaian konduktor tipe-n dan p yang dihubungkan secara seri. Anda bisa membuatnya sendiri. Efek Seebeck dan Peltier adalah inti dari karyanya. Tegangan dan arus yang digunakannya kecil (3-5 V dan 0,5 A). Seperti disebutkan di atas, efisiensi kerjanya sangat kecil (≈10%).
Ini digunakan untuk menyelesaikan tugas sehari-hari seperti memanaskan atau mendinginkan air dalam cangkir atau mengisi ulang ponsel.
