Основний спосіб видобутку електрики у великій кількості в даний час здійснюється за рахунок явища електромагнітної індукції, яке передбачає механічне рух провідника в магнітному полі. Однак існує інший спосіб отримання цього виду енергії: за допомогою температури. Щоб зрозуміти, в чому полягає суть цього процесу, слід розглянути ефект Зеєбека.

Термоелектричні процеси

У фізиці під цією фразою розуміють процеси оборотного характеру, які пов’язані з явищами переносу заряду (електричний струм) і тепла (теплопровідність). Виділяють три різних термоелектричних явища, які пов’язані між собою. Це ефекти:

• Зеєбека;
• Пельтьє;
• Томсона (Кельвіна).

Зазначимо, що ефект Джоуля, який полягає у випромінюванні провідником тепла, коли по ньому проходить струм, не включений до списку вище, оскільки він є необоротним процесом.

Відкриття Томаса Йоганна Зеєбека

У 1821 році естонсько-німецький фізик Томас Зеєбек провів один цікавий експеримент: він з’єднав між собою дві пластини, які були виготовлені з різних матеріалів (вісмут і мідь) в замкнутий контур. Потім він нагрів один з контактів. Вчений спостерігав, що магнітна стрілка компаса, який перебував поблизу від провідного контуру, почала змінювати свій напрямок. У підсумку вчений вирішив, що два матеріали (мідь і вісмут) поляризуються по-різному внаслідок дії тепла, тому визначив відкритий ефект як термомагнітний, а не термоелектричний.

Згодом вже датський учений Ханс Ерстед дав правильне пояснення відкритого Зеебеком ефекту, назвавши його термоелектричним процесом.

Суть відкритого ефекту

З пункту вище можна самостійно зробити висновок про те, що являє собою це термоелектричне явище. Його суть полягає в наступному: якщо з’єднати два будь матеріалу між собою в один контур і піддати їх контакти різниці температури, то в контурі потече струм.

Зауважимо, що для спостереження цього ефекту повинні виконуватися наступні умови:

• Наявність замкнутого контуру (електричний струм не існує в розірваного ланцюга).
• Наявність контакту двох різнорідних металів (якщо провідники, що приводяться в контакт, будуть зроблені з одного матеріалу, то ніякої різниці потенціалів не буде спостерігатися). Цими матеріалами можуть бути такі пари, як метал і інший метал, метал напівпровідник або два напівпровідника різного типу (p і n).
• Наявність різниці температур між двома контактами провідників. Ця різниця лежить в основі явища виникнення ЕРС (електрорушійна сила). Зазначимо, що нагрівати (охолоджувати) слід саме контакт двох матеріалів, а не який-небудь один з них.

Фізичне пояснення ефекту

Описаний термоелектричний ефект є досить непростим явищем. Для його розуміння розглянемо систему, що складається з мідного і залізного провідників, з’єднаних між собою. Звернемо увагу на процеси, які відбуваються в зоні контакту Cu-Fe, яка нагрівається. Купуючи додаткову кінетичну енергію, електрони в області нагрівання створюють більш високий тиск” електронного газу, тому прагнуть втекти з неї до більш холодного кінця контуру. Навпаки, контакт Cu-Fe, який охолоджується, викликає втрату кінетичної енергії носіїв заряду, це веде до зниження створюваного ними тиску в зоні контакту. Останній факт призводить до залучення в холодну область вільних носіїв заряду.

Якби метали в контакті були однаковими, то швидкості дрейфу електронів у результаті різниці температур були б однаковими, а їх напрямки в кожному провіднику – протилежними, тобто ніякої різниці потенціалів б не виникло. Але оскільки метали мають різну природу, то вони різним чином реагують на нагрів (зміна “тиску” електронів і швидкість їх дрейфу різні для Fe і Cu). В цьому і полягає причина появи ЕРС в зоні контакту.

Зазначимо, що при поясненні фізики процесу використовувалася аналогія з ідеальним газом.

Напрямок виникає термотока, а також його розмір визначаються природою металів, різницею температур контактів, а також особливостями самої електричної замкнутої ланцюга.

Якщо розглянути фізику процесу для пари метал-напівпровідник, то вона не буде відрізнятися від такої для розглянутої пари метал-метал. Додаток різниці температур двох контактів металу з напівпровідником викликає в останньому потік електронів (n-тип) або дірок (p-тип) від гарячої до холодної, що призводить до появи різниці потенціалів.

Якщо не підтримувати різниця температур за рахунок відведення тепла від холодної зони і його підведення до гарячого контакту, то в ланцюзі швидко встановлюється термодинамічна рівновага, і струм припиняє текти.

Математичний опис розглянутого явища

Розібравшись, у чому полягає ефект Зеєбека, можна перейти до питання його математичного опису. Тут головною величиною є так званий коефіцієнт Зеєбека. Він виражається формулою:

SAB = (V2-V1)/(T2-T1) = ΔV/ΔT.

Тут V2 і V1 – значення електричних потенціалів в області гарячого і холодного контактів, T2-T1 – різниця температур цих контактів, A і B – це два матеріали розглянутої замкнутої ланцюга.

Фізичний зміст коефіцієнта SAB полягає в тому, що він показує, яку ЕРС можна отримати, якщо прикласти різницю температури до контактів рівну 1 кельвін. Типові значення SAB для сучасних термоелектричних матеріалів рівні кілька десятків або сотень мікровольт на кельвін.

Коефіцієнт SAB не є постійною величиною для провідників A і B, він залежить від температури.

ККД процесу

Це самий цікавий і актуальне питання, яке стосується розглянутого термоелектричного ефекту. Якщо, приклавши різниця температур до ланцюга, можна отримувати електрику, тоді це явище можна використовувати замість поширених генераторів, заснованих на електромагнітної індукції. Цей висновок вірний, якщо ККД ефекту Зеєбека досить високий.

Для оцінки ККД прийнято використовувати такий вираз:

Z*T = (SAB)2*T/(ρ*λ).

Тут ρ – питомий електричний опір, λ – коефіцієнт теплопровідності, Z – фактор ефективності термоелектричного явища.

Зрозуміти це вираз нескладно: чим більше коефіцієнт Зеєбека, чим вище рухливість носіїв заряду (менше опір) і чим менше теплопровідність матеріалу (вона сприяє вирівнюванню градієнта температури за рахунок переносу заряду і за рахунок руху фононів решітки), тим вище продуктивність ланцюга як генератора електрики.

Значення Z*T для металів зазвичай невисокі, оскільки величина λ є великою. З іншого боку, ізолятори також не можна використовувати через їх величезних значень ρ. Золотою серединою стало застосування напівпровідників.

В даний час для різних температур отримані значення Z*T≈1, що означає наступне: приблизно 10 % від витрачається тепла переходить в електричну енергію (ККД = 10 %). Щоб цей ефект ефективності вироблення електрики міг конкурувати з сучасними способами його отримання, необхідно розробляти матеріали, для яких Z*T буде становити 3-4.

Де використовують цей ефект

Найпопулярнішим напрямком його використання є інструменти для вимірювання температури, які називаються термопарами. Якщо температура одного кінця термопари відома (кімнатна), то, зануривши її другий кінець в тіло, температуру якого потрібно визначити, вимірюючи при цьому отриману ЕРС, можна легко знайти невідому величину.

Згідно останніх новин, дві німецьких автомобільних компанії (Volkswagen і BMW) заявляють, що почали застосовувати цей ефект для підвищення ККД бензинового двигуна. Ідея полягає у використанні викидається з вихлопної труби тепла для генерації термоелектрики. За заявами представників цих компаній, таким способом вони вже змогли зменшити витрату бензину на 5 %.

Серія зондів “Вояджер”, місія яких полягає у вивченні оточуючого нас космосу, використовує для живлення своєї електроніки ефект Зеєбека. Справа в тому, що сонячні батареї за межами орбіти Марса використовувати не можна через низьку щільність енергії від Сонця. На борту “Вояджера” встановлено термоелектричний генератор на изотопах плутонію: радіоактивний оксид плутонію розпадається з виділенням теплоти, яка використовується парою напівпровідникових матеріалів (SiGe) для перетворення в електрику.

Спиновый ефект

Недавно вчені відкрили цікаве явище: якщо нагрівати магнітний контакт пари Ni-Fe, спини електронів у всьому матеріалі орієнтуються певним чином, що створює магнітне поле. Це явище отримало назву спінового ефекту Зеєбека. Його можна використовувати для створення магнітних полів без участі електричного струму.

Ефект Пельтьє

Так називається явище, яке було відкрито в 1834 році французом Жаном Пельтьє. Його суть полягає в тому, що якщо через контакт різних матеріалів пропускати електричний струм, то він буде нагріватися, або охолоджуватися в залежності від напрямку руху носіїв заряду. Його використовують у так званій клітинці Пельтьє, здатної нагрівати або охолоджувати навколишні об’єкти, наприклад, воду, коли її підключають до різниці потенціалів (електричної ланцюга).

Таким чином, ефекти Пельтьє і Зеєбека обратны один одному.

Ефект Томсона (Кельвіна)

Він також входить в список термоелектричних явищ. Відкрив його лорд Кельвін (Вільям Томсон) в 1851 році. Він об’єднує явища, спостережувані Пельтьє і Зеебеком. Суть ефекту Томсона наступна: якщо на кінцях провідника створити різну температуру, а потім прикласти до них напругу, то провідник почне обмінюватися теплом з навколишнім середовищем. Тобто він може не тільки виділяти, але і поглинати, що залежить від полярності потенціалів і різниці температур на кінцях.

Відмінність цього ефекту від двох попередніх полягає в тому, що він реалізується на одному, а не на двох різних провідниках.

Всі три термодинамічних ефекту математично пов’язані один з одним.