ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกเป็นหัวข้อที่แยกจากกันในวิชาฟิสิกส์ โดยพิจารณาว่าอุณหภูมิสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างไร และปรากฏการณ์หลังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หนึ่งในปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกที่ค้นพบครั้งแรกคือเอฟเฟกต์ Seebeck
ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเปิดเอฟเฟกต์
ในปี ค.ศ. 1797 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Alessandro Volta ที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้า ได้ค้นพบปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งอย่างหนึ่ง: เขาค้นพบว่าเมื่อวัสดุที่เป็นของแข็งสองชนิดสัมผัสกัน จะมีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นในบริเวณสัมผัส เรียกว่าความแตกต่างของการติดต่อ ทางกายภาพ ความจริงข้อนี้หมายความว่าโซนสัมผัสของวัสดุที่แตกต่างกันมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ที่สามารถนำไปสู่การปรากฏตัวของกระแสในวงจรปิด หากตอนนี้มีการเชื่อมต่อวัสดุสองชนิดในวงจรเดียว (เพื่อสร้างหน้าสัมผัสสองรายการระหว่างกัน) EMF ที่ระบุจะปรากฏขึ้นบนแต่ละรายการซึ่งมีขนาดเท่ากัน แต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม หลังอธิบายว่าทำไมไม่มีการสร้างกระแส
สาเหตุของ EMF ก็คือ Fermi ระดับต่าง ๆ (พลังงานสถานะความจุของอิเล็กตรอน) ในวัสดุต่างๆ เมื่อสัมผัสกัน ระดับ Fermi จะลดระดับลง (ในวัสดุหนึ่งลดลง อีกวัสดุหนึ่งจะเพิ่มขึ้น) กระบวนการนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนผ่านการสัมผัส ซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของ EMF
ควรสังเกตทันทีว่าค่า EMF นั้นไม่สำคัญ (ตามลำดับสองสามสิบของโวลต์)
การค้นพบโทมัส ซีเบค
Thomas Seebeck (นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน) ในปี 1821 นั่นคือ 24 ปีหลังจากการค้นพบความต่างศักย์การติดต่อโดย Volt ได้ทำการทดลองต่อไปนี้ เขาเชื่อมแผ่นบิสมัทกับทองแดง แล้ววางเข็มแม่เหล็กไว้ข้างๆ ในกรณีนี้ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นไม่มีกระแสเกิดขึ้น แต่ทันทีที่นักวิทยาศาสตร์นำเปลวไฟของหัวเตามาที่หน้าสัมผัสของโลหะทั้งสอง เข็มแม่เหล็กก็เริ่มหมุน
ตอนนี้เรารู้แล้วว่าแรงแอมแปร์ที่เกิดจากตัวนำพากระแสไฟฟ้าทำให้มันหมุน แต่ตอนนั้นซีเบคไม่รู้เรื่องนี้ เขาจึงเดาผิดว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของโลหะนั้นเกิดจากอุณหภูมิ ความแตกต่าง
คำอธิบายที่ถูกต้องสำหรับปรากฏการณ์นี้ได้รับในอีกไม่กี่ปีต่อมาโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Hans Oersted ผู้ชี้ให้เห็นว่าเรากำลังพูดถึงกระบวนการเทอร์โมอิเล็กทริก และกระแสไหลผ่านวงจรปิด อย่างไรก็ตาม เทอร์โมอิเล็กทริกที่ค้นพบโดย Thomas Seebeck ในปัจจุบันมีนามสกุลของเขา
ฟิสิกส์ของกระบวนการต่อเนื่อง
อีกครั้งเพื่อรวมเนื้อหา: แก่นแท้ของเอฟเฟกต์ Seebeck คือการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการรักษาอุณหภูมิที่แตกต่างกันของหน้าสัมผัสสองตัวของวัสดุที่แตกต่างกันซึ่งก่อให้เกิดวงจรปิด
เพื่อทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในระบบนี้ และเหตุใดกระแสไฟจึงเริ่มทำงาน คุณควรทำความคุ้นเคยกับปรากฏการณ์สามประการ:
- คนแรกถูกกล่าวถึงแล้ว - นี่คือการกระตุ้นของ EMF ในพื้นที่ติดต่ออันเนื่องมาจากการจัดระดับ Fermi พลังงานของวัสดุในระดับนี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง ความจริงข้อหลังจะนำไปสู่การปรากฏตัวของกระแสถ้าหน้าสัมผัสสองอันถูกปิดในวงจร (สภาวะสมดุลในบริเวณที่สัมผัสกับโลหะที่อุณหภูมิต่างกันจะแตกต่างกัน)
- ขั้นตอนการขนย้ายแท่นชาร์จจากบริเวณที่ร้อนไปยังที่เย็น ผลกระทบนี้สามารถเข้าใจได้หากเราจำได้ว่าอิเล็กตรอนในโลหะและอิเล็กตรอนและรูในเซมิคอนดักเตอร์สามารถถือเป็นก๊าซในอุดมคติได้ในการประมาณครั้งแรก อย่างที่ทราบกันดีว่าเมื่อถูกความร้อนในปริมาตรที่ปิดจะเพิ่มความดัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในเขตสัมผัสซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า "ความดัน" ของก๊าซอิเล็กตรอน (รู) ก็สูงขึ้นเช่นกัน ดังนั้นตัวพาประจุมักจะไปยังบริเวณที่เย็นกว่าของวัสดุ กล่าวคือ ไปสัมผัสอื่น
- สุดท้าย ปรากฏการณ์อื่นที่นำไปสู่การปรากฏตัวของกระแสในเอฟเฟกต์ Seebeck ก็คือการทำงานร่วมกันของ phonons (การสั่นสะเทือนของตาข่าย) กับผู้ให้บริการชาร์จ สถานการณ์ดูเหมือนโฟนอน เคลื่อนจากทางแยกร้อนไปยังทางแยกเย็น "ชน" อิเล็กตรอน (รู) และให้พลังงานเพิ่มเติมแก่มัน
ทำเครื่องหมายสามขั้นตอนดังนั้นจึงกำหนดการเกิดกระแสในระบบที่อธิบายไว้
ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกนี้อธิบายได้อย่างไร
ง่ายมาก สำหรับสิ่งนี้ พวกเขาแนะนำพารามิเตอร์ S ซึ่งเรียกว่าสัมประสิทธิ์ Seebeck พารามิเตอร์แสดงว่าค่า EMF เกิดขึ้นหรือไม่ ถ้าความแตกต่างของอุณหภูมิสัมผัสยังคงเท่ากับ 1 เคลวิน (องศาเซลเซียส) นั่นคือ คุณสามารถเขียนว่า:
S=ΔV/ΔT.
ที่นี่ ΔV คือ EMF ของวงจร (แรงดัน) ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยกร้อนและเย็น (โซนสัมผัส) สูตรนี้ถูกต้องโดยประมาณเท่านั้น เนื่องจากโดยทั่วไป S ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
ค่าสัมประสิทธิ์ Seebeck ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุที่สัมผัส อย่างไรก็ตาม เราสามารถพูดได้อย่างแน่นอนว่าสำหรับวัสดุที่เป็นโลหะ ค่าเหล่านี้มีค่าเท่ากับหน่วยและ μV/K หลายสิบ ในขณะที่สำหรับเซมิคอนดักเตอร์มีค่า μV/K หลายร้อย μV/K กล่าวคือ เซมิคอนดักเตอร์มีลำดับความสำคัญของแรงเทอร์โมอิเล็กทริกมากกว่าโลหะ. เหตุผลของข้อเท็จจริงนี้เกิดจากการพึ่งพาคุณลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์กับอุณหภูมิที่แข็งแกร่งขึ้น (การนำไฟฟ้า ความเข้มข้นของตัวพาประจุ)
ประสิทธิภาพกระบวนการ
ความจริงที่น่าประหลาดใจของการถ่ายเทความร้อนสู่กระแสไฟฟ้าเปิดโอกาสที่ดีสำหรับการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์นี้ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้เทคโนโลยีนั้น ไม่เพียงแต่แนวคิดเท่านั้นที่มีความสำคัญ แต่ยังรวมถึงคุณลักษณะเชิงปริมาณด้วย อย่างแรก ดังที่แสดงไว้ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้นั้นค่อนข้างเล็ก ปัญหานี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของตัวนำจำนวนมาก (ซึ่งเสร็จสิ้นในเซลล์ Peltier ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง)
ประการที่สอง มันเป็นเรื่องของประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าจากความร้อน และคำถามนี้ยังคงเปิดอยู่จนถึงทุกวันนี้ ประสิทธิภาพของเอฟเฟกต์ Seebeck ต่ำมาก (ประมาณ 10%) นั่นคือจากความร้อนที่ใช้ไปทั้งหมดเพียงหนึ่งในสิบของความร้อนที่สามารถนำมาใช้ในการทำงานที่มีประโยชน์ได้ ห้องปฏิบัติการหลายแห่งทั่วโลกกำลังพยายามเพิ่มประสิทธิภาพนี้ ซึ่งสามารถทำได้โดยการพัฒนาวัสดุยุคใหม่ เช่น การใช้นาโนเทคโนโลยี
การใช้เอฟเฟกต์ที่ Seebeck ค้นพบ
ถึงแม้จะประสิทธิภาพต่ำ แต่ก็ยังพบว่ามีประโยชน์ ด้านล่างนี้เป็นพื้นที่หลัก:
- เทอร์โมคัปเปิล. ใช้เอฟเฟกต์ Seebeck เพื่อวัดอุณหภูมิของวัตถุต่างๆ ได้สำเร็จ อันที่จริง ระบบของสองหน้าสัมผัสคือเทอร์โมคัปเปิล หากทราบค่าสัมประสิทธิ์ S และอุณหภูมิของปลายด้านใดด้านหนึ่ง การวัดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในวงจรจะคำนวณอุณหภูมิของปลายอีกด้านหนึ่งได้โดยการวัดแรงดันไฟฟ้า เทอร์โมคัปเปิลยังใช้เพื่อวัดความหนาแน่นของพลังงานรังสี (แม่เหล็กไฟฟ้า)
- การผลิตไฟฟ้าบนยานสำรวจอวกาศ โพรบที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่อสำรวจระบบสุริยะของเราหรือใช้เอฟเฟกต์ Seebeck เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนเรือ สิ่งนี้ทำได้ด้วยเครื่องกำเนิดความร้อนด้วยรังสี
- การประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์ Seebeck ในรถยนต์สมัยใหม่ BMW และ Volkswagen ประกาศการปรากฏตัวของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกในรถยนต์ของพวกเขาซึ่งจะใช้ความร้อนของก๊าซที่ปล่อยออกมาจากท่อไอเสีย
เทอร์โมอิเล็กทริกอื่นๆ
เทอร์โมอิเล็กทริกมีสามแบบ: Seebeck, Peltier, Thomson สาระสำคัญของครั้งแรกได้รับการพิจารณาแล้ว สำหรับเอฟเฟกต์ Peltier นั้นประกอบด้วยการให้ความร้อนที่หน้าสัมผัสหนึ่งและการระบายความร้อนอีกด้านหนึ่ง หากวงจรที่กล่าวถึงข้างต้นเชื่อมต่อกับแหล่งกระแสภายนอก นั่นคือเอฟเฟกต์ Seebeck และ Peltier อยู่ตรงข้าม
เอฟเฟกต์ของทอมสันมีลักษณะเหมือนกัน แต่ถือว่าอยู่ในวัสดุเดียวกัน สาระสำคัญของมันคือการปล่อยหรือการดูดซับความร้อนโดยตัวนำซึ่งกระแสไหลและปลายจะคงอยู่ที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน
เซลล์เพลเทียร์
เมื่อพูดถึงสิทธิบัตรสำหรับโมดูลเทอร์โมเจนเนอเรเตอร์ที่มีเอฟเฟกต์ Seebeck สิ่งแรกที่พวกเขาจำได้คือเซลล์ Peltier เป็นอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด (4x4x0.4 ซม.) ที่ทำจากตัวนำชนิด n และ p ที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรม คุณสามารถทำมันเอง เอฟเฟกต์ Seebeck และ Peltier เป็นหัวใจสำคัญของงานของเธอ แรงดันและกระแสไฟที่ใช้งานมีขนาดเล็ก (3-5 V และ 0.5 A) ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ประสิทธิภาพในการทำงานนั้นน้อยมาก (≈10%)
ใช้เพื่อแก้ปัญหาในชีวิตประจำวัน เช่น การทำน้ำร้อนหรือน้ำเย็นในแก้วน้ำหรือการชาร์จโทรศัพท์มือถือ
