Τι είναι το φαινόμενο Seebeck και το φαινόμενο Peltier;

Το φαινόμενο Seebeck και το φαινόμενο Peltier είναι οι δύο κύριες αρχές που διέπουν τη λειτουργία των θερμοηλεκτρικών γεννητριών.

Το φαινόμενο Seebeck και το φαινόμενο Peltier μπορούν και τα δύο να ταξινομηθούν στον όρο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο . Οποιοδήποτε θερμοηλεκτρικό φαινόμενο περιλαμβάνει τη μετατροπή των διαφορών στις θερμοκρασίες σε διαφορές τάσης. Τα εφέ Seebeck και Peltier είναι διαφορετικές εκδηλώσεις της ίδιας φυσικής διαδικασίας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, συνδέονται και είναι γνωστά ως Φαινόμενο Seebeck-Peltier . Ο λόγος για τον οποίο αυτά τα δύο αποτελέσματα χωρίζονται οφείλεται στις ανεξάρτητες ανακαλύψεις τους από δύο διαφορετικά άτομα. Ας δούμε πρώτα αναλυτικά τι είναι το φαινόμενο Seebeck.

Τι είναι το φαινόμενο Seebeck;

Το φαινόμενο Seebeck ανακαλύφθηκε από τον Βαλτικό Γερμανό φυσικό Thomas Johann Seebeck. Το φαινόμενο Seebeck είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο μια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο ανόμοιων ηλεκτρικών αγωγών ή ημιαγωγών παράγει μια διαφορά τάσης μεταξύ αυτών των δύο ουσιών.

Όταν εφαρμόζεται θερμότητα σε έναν από τους δύο αγωγούς ή ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια διεγείρονται λόγω της θερμότητας. Δεδομένου ότι μόνο μία από τις δύο πλευρές θερμαίνεται, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται προς την ψυχρότερη πλευρά των δύο αγωγών. Εάν και οι δύο αγωγοί συνδέονται με τη μορφή κυκλώματος, ένα συνεχές ρεύμα ρέει μέσω του κυκλώματος.

Οι τάσεις που παράγονται από το φαινόμενο Seebeck είναι μικροσκοπικές. Το εύρος της παραγόμενης τάσης είναι συνήθως της τάξης των λίγων μικροβολτ (ένα εκατομμυριοστό του βολτ) ανά Kelvin διαφοράς θερμοκρασίας στη διασταύρωση. Εάν η διαφορά θερμοκρασίας είναι αρκετά σημαντική, ορισμένες συσκευές μπορούν να συνεχίσουν να παράγουν μερικά millivolt (που είναι το ένα χιλιοστό του βολτ).

Πολλές τέτοιες συσκευές μπορούν να συνδεθούν παράλληλα για να αυξηθεί το μέγιστο παραδοτέο ρεύμα. Τέτοιες συσκευές έχει αποδειχθεί ότι παρέχουν μικρής κλίμακας επίπεδο ηλεκτρικής ισχύος, εάν διατηρείται μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας στις διασταυρώσεις.

Επίδειξη του εφέ Seedback

Το φαινόμενο Seebeck μπορεί να μας βοηθήσει να υπολογίσουμε το ηλεκτροκινητικό πεδίο που δημιουργείται από μια συσκευή. Αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τον συντελεστή Seebeck. Ο συντελεστής Seebeck ενός υλικού είναι το μέτρο του μεγέθους της αυξημένης θερμοηλεκτρικής τάσης σε απόκριση στις διαφορές θερμοκρασίας σε ένα δεδομένο υλικό. Χρησιμοποιώντας την Ηλεκτροκινητική δύναμη, μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε την πυκνότητα ρεύματος του θερμοηλεκτρικού υλικού. Οι σχετικές εξισώσεις για αυτό είναι οι εξής:

Eemf=-S∆T

J=σ(-∆V+Eemf)

Εδώ, το J σημαίνει την πυκνότητα ρεύματος και το σ σημαίνει την τοπική αγωγιμότητα του αγωγού.

Τι είναι το φαινόμενο Peltier;

Το φαινόμενο Peltier πήρε το όνομά του από τον Γάλλο φυσικό Jean Charles Athanase Peltier, ο οποίος ανακάλυψε αυτό το φαινόμενο το 1834. Το φαινόμενο Peltier είναι η παρουσία θέρμανσης ή ψύξης σε μια ηλεκτρισμένη διασταύρωση δύο διαφορετικών αγωγών. Όταν ένα ρεύμα ρέει μέσω μιας διασταύρωσης μεταξύ δύο αγωγών, μπορεί να προστεθεί ή να αφαιρεθεί θερμότητα στη διασταύρωση.

Επίδειξη του φαινομένου Peltier

Η θερμότητα Peltier που παράγεται στη διασταύρωση ανά μονάδα χρόνου είναι όπου ∏A και ∏B είναι οι συντελεστές Peltier.

Q=(∏A – ∏Β)Ι

Εδώ, το Α και το Β σημαίνουν τα δύο άκρα των αγωγών, ενώ το I είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Οι συντελεστές Peltier αντιπροσωπεύουν πόση θερμότητα μεταφέρεται ανά μονάδα φορτίου. Εφόσον το φορτίο πρέπει να είναι συνεχές σε μια διασταύρωση, η σχετική ροή θερμότητας θα αναπτύξει ασυνέχεια εάν τα ∏A και ∏B είναι διαφορετικά.

Το φαινόμενο Peltier μπορεί να θεωρηθεί ως το αντίστοιχο αντίστροφο του φαινομένου Seebeck:εάν ένα απλό θερμοηλεκτρικό κύκλωμα είναι κλειστό, τότε το φαινόμενο Seebeck θα οδηγεί ένα ρεύμα, το οποίο με τη σειρά του (με το φαινόμενο Peltier) θα μεταφέρει πάντα θερμότητα από το ζεστό διασταύρωση στην ψυχρή διασταύρωση.

Μια τυπική αντλία θερμότητας Peltier περιλαμβάνει πολλαπλές συνδέσεις σε σειρά, μέσω των οποίων διοχετεύεται ρεύμα. Ορισμένες από τις διασταυρώσεις χάνουν θερμότητα λόγω του φαινομένου Peltier, ενώ άλλες αποκτούν θερμότητα. Οι θερμοηλεκτρικές αντλίες θερμότητας εκμεταλλεύονται αυτό το φαινόμενο, όπως και οι θερμοηλεκτρικές συσκευές ψύξης που βρίσκονται στα ψυγεία.