Termoelektriline efekt

Termoelektriline efekt on füüsikaline nähtus, mille korral temperatuuri muutus kutsub vooluahelas esile elektrivoolu või siis elektrivoolu muutus põhjustab temperatuurimuutuse.

Termoelektrilise efekti avastasid teineteisest sõltumatult baltisaksa füüsik Thomas Johann Seebeck 1821. aastal ja Prantsuse füüsik Jean-Charles Peltier 1834. aastal. Nende avastatud nähtused on teineteise pöördefektid ja ilmnevad erinevatest metallidest või pooljuhtidest moodustatud vooluahelas:

• Seebecki efekt – temperatuuride erinevus elektrijuhtide liitekohas tekitab elektripinge ja vooluahelas elektrivoolu;
• Peltier’ efekt – erinevast materjalist juhtidega vooluahelale rakendatud pinge ja selle tekitatud vool põhjustab liitekohtades temperatuuri muutuse, kusjuures olenevalt voolu suunast liitekoht soojeneb või jahtub.

Peltier’-Seebecki efekti laiendusena loetakse termoelektriliseks nähtuseks ka Thomsoni efekt (kirjeldanud William Thomson 1856. a): kui elektrijuhti läbib lisaks elektrivoolule ka soojusvoog (temperatuurigradiendi tõttu), siis muutub teataval määral juhi soojusjuhtivus. Sellest tulenev soojuseralduse muutus on aga palju väiksem kui soojenemine elektritakistuse toimel Joule'i-Lenzi seaduse järgi ja seetõttu raskesti määratav.

Termoelektriline element: kahest eri materjalist juhtmed A ja B on ühendatud vooluringi liitepunktides T₁ ja T₂; pinget näitab voltmeeter V

Seebecki efekt

-

Materjal	µV/K (t° = 273 K)[1]
Vismut	−72
Konstantaan	−35
Nkkel	−15
Plaatina	0
Süsinik	3
Alumiinium	3,5
Roodium	6
Vask	6,5
Kuld	6,5
Hõbe	6,5
Raud	19
Nikroom	25

Vastavalt Seebecki efektile tekib vooluringis, mis koosneb kahest erinevast elektrijuhist (joonisel juhtmed A ja B) elektripinge

${\displaystyle U=(S_{\mathrm {B} }-S_{\mathrm {A} })\cdot (T_{2}-T_{1}),}$

kus

${\displaystyle S_{\mathrm {A} }}$ ja ${\displaystyle S_{\mathrm {B} }}$ on Seebecki koefitsiendid (ehk Seebecki kordajad);

${\displaystyle T_{2}}$ ja ${\displaystyle T_{1}}$ on temperatuurid liitekohtades.

Seebecki koefitsient näitab, kui suur pingemuutus vastab 1-kraadisele temperatuurimuutusele, mõõtühik volti kelvini kohta (V/K). Seejuures sõltub Seebecki koefitsient ka ise keha temperatuurist. Paljudel metallidel on Seebecki koefitsient toatemperatuuril suurusjärgus 10 µV/K. Tabelis on esitatud mõnede materjalide Seebecki koefitsientide arvväärtused, kusjuures võrdluselemendiks on plaatina. Koefitsientide tegelike väärtuste saamiseks tuleb juurde liita plaatina absoluutne Seebecki konstant, mis on 4,04 µV/K 273 K juures ja ca −5 µV/K 300 K juures).^[2]

Termopinge tekib materjalides mitme füüsikalise nähtuse koosmõjul. Neist oluline osa on termodifusioonil. Kui piki juhet esineb temperatuurierinevus, siis juhtme kuumemas otsas on elektronidel suurem energia ning kiirus ja nad liiguvad külmema otsa poole. Seetõttu hakkab seal elektronide külluse tõttu tõusma negatiivne potentsiaal, kuni selle tasakaalustab samaaegselt kujunev vastassuunaline elektriväli. Seega ühe juhtme otste vahel pinget ei teki.

Kahe erisuguse materjali liitekohas tekib potentsiaalide vahe Fermi energiate erinevuse tõttu. Kontakti loomisel elektronide keemilised potentsiaalid mõlemas materjalis ühtlustuvad, mille tulemusena tekib liitekohas pinge

${\displaystyle U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}}}$,

kus ${\displaystyle F}$ on Fermi energia ja ${\displaystyle e}$ on elektroni laeng.

Kuna Fermi energia sõltub temperatuurist, siis temperatuuride erinevus liitekohtade vahel kutsub esile elektromotoorjõu ja vooluringi sulgemisel elektrivoolu.

Peltier' efekt

Kui elektrivool läbib kahe erineva elektrijuhi liitekoha, toimub seal soojusenergia ${\displaystyle Q}$ vabanemine või neeldumine:

${\displaystyle {\dot {Q}}=\left(\Pi _{\mathrm {A} }-\Pi _{\mathrm {B} }\right)I}$,

kus ${\displaystyle \Pi _{\mathrm {A} }}$ ja ${\displaystyle \Pi _{\mathrm {B} }}$) on materjalide Peltier' koefitsiendid ning ${\displaystyle I}$ on elektrivool, mis läbib liitekohta.

Peltier’ efekti toimel metallide liitekohas eralduv soojushulk on väga väike, võrreldes soojusega, mis eraldub Joule’i-Lenzi seaduse kohaselt. Seepärast oli termoelektrilise efekti seda ilmingut raske kindlaks teha ja Peltier sai sellega hakkama 13 aastat pärast Seebecki avastust.

Rakendused

Seebecki efekti rakendatakse ja termopaarides ja termoelektrigeneraatorites. Nende energiamuunduse tõhusus on metallide kasutamise korral väga väike, ent sobivate pooljuhtmaterjalide kasutamine võimaldab muundamise kasutegurit märgatavalt tõsta.^[3] Termoelektrigeneraatorites kasutatakse pooljuhttermoelementidest moodustatud patareid.^[4] Niisuguste generaatorite kuumutustemperatuur võib olla 100–1000 °C, võimsus 10–100 kW ja kasutegur kuni 20 %.^[5] Väikesest kasutegurist hoolimata on nad kompaktsed, ei sisalda liikuvaid osi ning on üsna lihtsad ja odavad.^[6]

Tänapäeval kasutatakse termoelektrigeneraatoreid peamiselt kuni 5 kW tarbijate jaoks elektrivarustuseta piirkondades, näiteks telemeetria- ja kommunikatsiooniseadmete toitmiseks. Samuti saab ülejäänud soojust elektriks muuta autodes,^[7] elektrijaamades ja pliitides.^[8] Termoelektrigeneraatoreid kasutatakse ka kosmoses elektri tootmiseks, kus soojust toodavad radioaktiivsed isotoobid.^[9]

Peltier’ efekti rakendatakse Peltier' elementides jahutuseks (nt külmikutes) ja temperatuuri reguleerimiseks. Selliste jahutite peamisteks kasutuskohtadeks on kaasaskantavad jahutusseadmed ja elektroonikakomponentide, eriti protsessorite jahutus (koos teiste jahutusseadistega). Teaduses on Peltier' efekt kasutusel DNA sünteesimisel,^[10] mis nõuab väga kiireid temperatuurimuutuseid, ning ka satelliitidel ja kosmoselaevadel soojuse ülekandmiseks päikesepoolsetelt osadelt külmadele osadele.^[11]

 Pikemalt artiklis Peltier' element

Thomsoni efektil puuduvad tehnilised rakendused.

Vaata ka

• Termopaar
• Joule'i-Lenzi seadus

Viited

1. Seebeck Coefficients
2. The Seebeck Coefficient
3. Safa Kasap. "Thermoelectric Effects In Metals: Thermocouples" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 25. november 2016. Vaadatud 10. detsembril 2013.
4. Global Thermoelectric. "Thermoelectric Generators" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 1. august 2014.
5. ENE 9. köide, 1996
6. G. Jeffrey Snyder (2008). "Small Thermoelectric Generators" (PDF). The Electrochemical Society Interface.
7. Ikoma, K. ;Munekiyo, M. ; Furuya, K. ; Kobayashi, M. ; Izumi, T. ; Shinohara, K. "Thermoelectric module and generator for gasoline engine vehicles". Thermoelectrics, 1998. Proceedings ICT 98. XVII International Conference.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
8. Basel I. Ismail, Wael H. Ahmed. "Thermoelectric Power Generation Using Waste-Heat Energy as an Alternative Green Technology" (PDF). Electrical Engineering 2009, 2, 27–39.
9. Rashid Alimov (2005). "Radioisotope Thermoelectric Generators". Originaali arhiivikoopia seisuga 26. aprill 2012.
10. "Use of Thin-Film Thermoelectrics in PCR Thermal Cycling" (PDF). Nextreme Thermal Solutions, Inc.
11. Kotlyarov, Evgeny; Peter de Crom, Raoul Voeten (2006). "Some Aspects of Peltier-Cooler Optimization Applied for the Glove Box Air Temperature Control.". SAE International: 1

Välislingid

• Termoelektrigeneraatorid
• Thermoelectric Effects