Seebeckovy, Peltierovy a Thomsonovy termoelektrické jevy
Provoz termoelektrických chladniček a generátorů je založen na termoelektrických jevech. Patří mezi ně efekty Seebeck, Peltier a Thomson. Tyto efekty souvisejí jak s přeměnou tepelné energie na elektrickou, tak s přeměnou elektrické energie na studenou.
Termoelektrické vlastnosti drátů jsou způsobeny spojením mezi teplem a elektrickými proudy:
- Seebeckův efekt — vznik termo-EMF v řetězci nerovných drátů, při různých teplotách jeho sekcí;
- Peltierův jev — absorpce nebo uvolnění tepla při kontaktu dvou různých vodičů, když jimi prochází stejnosměrný elektrický proud;
- Thomsonův jev — absorpce nebo uvolnění tepla (super-Joule) v objemu vodiče při průchodu sloupem, elektrický proud za přítomnosti teplotního gradientu.
Mezi kinetické jevy patří Seebeckovy, Peltierovy a Thompsonovy jevy. Souvisí s procesy pohybu náboje a energie, proto se jim často říká přenosové jevy.Směrové toky náboje a energie v krystalu jsou generovány a udržovány vnějšími silami: elektrickým polem, teplotním gradientem.
Směrový tok částic (zejména nosičů náboje — elektrony a díry) se vyskytuje také v přítomnosti koncentračního gradientu těchto částic. Magnetické pole samo o sobě nevytváří usměrněné toky náboje nebo energie, ale ovlivňuje toky vytvářené jinými vnějšími vlivy.
Seebekov efekt
Seebeckův efekt spočívá v tom, že pokud v otevřeném elektrickém obvodu sestávajícím z několika různých vodičů jeden z kontaktů udržuje teplotu T1 (horký spoj) a druhý teplotu T2 (studený spoj), pak za podmínky, že T1 se nerovná T2 na koncích se na obvodu objeví termoelektromotorická síla E. Při sepnutí kontaktů se v obvodu objeví elektrický proud.
Seebekov efekt:
V přítomnosti teplotního gradientu ve vodiči dochází k tepelnému difúznímu toku nosičů náboje od horkého konce ke studenému konci. Pokud je elektrický obvod otevřený, pak se nosiče hromadí na studeném konci a nabíjejí jej záporně, pokud se jedná o elektrony, a kladně v případě vedení dírou. V tomto případě zůstává na horkém konci nekompenzovaný iontový náboj.
Výsledné elektrické pole zpomaluje pohyb nosičů směrem ke studenému konci a zrychluje pohyb nosičů směrem k horkému konci. Nerovnovážná distribuční funkce tvořená teplotním gradientem se působením elektrického pole posouvá a do určité míry se deformuje. Výsledné rozdělení je takové, že proud je nulový. Síla elektrického pole je úměrná teplotnímu gradientu, který jej způsobil.
Hodnota součinitele úměrnosti a jeho znaménko závisí na vlastnostech materiálu. Detekce elektrického Seebeckova pole a měření termoelektromotorické síly je možné pouze v obvodu složeném z různých materiálů. Rozdíly v potenciálních kontaktech odpovídají rozdílu v chemických potenciálech materiálů, které přicházejí do kontaktu.
Peltierův efekt
Peltierův jev spočívá v tom, že při průchodu stejnosměrného proudu termočlánkem sestávajícím ze dvou vodičů nebo polovodičů se v místě kontaktu uvolňuje nebo absorbuje určité množství tepla (v závislosti na směru proudu).
Když se elektrony přesouvají z materiálu typu p do materiálu typu n prostřednictvím elektrického kontaktu, musí překonat energetickou bariéru a odebírat energii z krystalové mřížky (studený spoj), aby tak učinily. Naopak, když přecházíme z materiálu typu n na materiál typu p, elektrony darují energii mřížce (horký spoj).
Peltierův efekt:
Thomsonův efekt
Thomsonův jev spočívá v tom, že když elektrický proud protéká vodičem nebo polovodičem, ve kterém se vytváří teplotní gradient, kromě Jouleova tepla se uvolňuje nebo absorbuje určité množství tepla (v závislosti na směru proudu).
Fyzikální důvod tohoto jevu souvisí se skutečností, že energie volných elektronů závisí na teplotě. V horké sloučenině pak elektrony získávají vyšší energii než ve studené. Hustota volných elektronů se také zvyšuje s rostoucí teplotou, což má za následek tok elektronů od horkého konce ke studenému konci.
Kladný náboj se hromadí na horkém konci a záporný náboj na studeném konci. Redistribuce nábojů brání toku elektronů a při určitém rozdílu potenciálu jej zcela zastaví.
K výše popsaným jevům dochází obdobným způsobem u látek s děrovou vodivostí, jen s tím rozdílem, že negativní náboj se hromadí na horkém konci a kladně nabité díry na studeném konci. Proto se pro látky se smíšenou vodivostí ukazuje Thomsonův jev jako zanedbatelný.
Thomsonův efekt:
Thomsonův jev nenašel praktické uplatnění, ale lze jej použít pro určení typu vodivosti nečistot u polovodičů.
Praktické využití Seebeckových a Peltierových efektů
Termoelektrické jevy: Seebeckovy a Peltierovy jevy — nacházejí praktické uplatnění v bezstrojových měničích tepla na elektrickou energii — termoelektrické generátory (TEG), v tepelných čerpadlech — chladicích zařízeních, termostatech, klimatizacích, v měřicích a řídicích systémech, jako jsou teplotní čidla, tepelné toky (viz — Termoelektrické měniče).
Srdcem termoelektrických zařízení jsou speciální polovodičové prvky-převodníky (termoprvky, termoelektrické moduly), například TEC1-12706. Více čtěte zde: Peltierův prvek - jak to funguje a jak zkontrolovat a připojit