Seebeck, Peltier en Thomson thermo-elektrische effecten

De werking van thermo-elektrische koelkasten en generatoren is gebaseerd op thermo-elektrische verschijnselen. Deze omvatten de Seebeck-, Peltier- en Thomson-effecten. Deze effecten houden verband met zowel de omzetting van thermische energie in elektrische energie als de omzetting van elektrische energie in koude energie.

De thermo-elektrische eigenschappen van draden zijn te danken aan de verbindingen tussen warmte en elektrische stromen:

• Seebeck-effect - opkomst thermo-EMF in een ketting van ongelijke draden, bij verschillende temperaturen van zijn secties;
• Peltier-effect - absorptie of afgifte van warmte bij het contact van twee verschillende geleiders wanneer er een elektrische gelijkstroom doorheen gaat;
• Thomson-effect - absorptie of afgifte van warmte (superjoule) in het volume van een geleider bij het passeren van een pool, elektrische stroom in aanwezigheid van een temperatuurgradiënt.

Seebeck-, Peltier- en Thompson-effecten behoren tot de kinetische verschijnselen. Ze zijn gerelateerd aan de processen van beweging van lading en energie, daarom worden ze vaak overdrachtsverschijnselen genoemd.Gerichte stromen van lading en energie in een kristal worden gegenereerd en in stand gehouden door externe krachten: elektrisch veld, temperatuurgradiënt.

Gerichte stroom van deeltjes (in het bijzonder ladingsdragers - elektronen en gaten) komt ook voor in aanwezigheid van een concentratiegradiënt van deze deeltjes. Het magnetische veld zelf creëert geen gerichte stromen van lading of energie, maar beïnvloedt de stromen die worden gecreëerd door andere externe invloeden.

Seebekov-effect

Het Seebeck-effect is dat als in een open elektrisch circuit dat uit verschillende geleiders bestaat, een van de contacten de temperatuur T1 (hete las) en de andere de temperatuur T2 (koude las) handhaaft, onder de voorwaarde dat T1 niet gelijk is aan T2 aan de uiteinden ontstaat er een thermo-elektromotorische kracht E. Wanneer de contacten gesloten zijn, ontstaat er een elektrische stroom in het circuit.

Seebekov-effect:

In aanwezigheid van een temperatuurgradiënt in de geleider vindt de thermische diffusiestroom van ladingsdragers plaats van het hete uiteinde naar het koude uiteinde. Als het elektrische circuit open is, hopen ladingdragers zich op aan het koude uiteinde, waardoor het negatief wordt opgeladen als dit elektronen zijn, en positief in het geval van gatgeleiding. In dit geval blijft de niet-gecompenseerde ionenlading aan het hete einde.

Het resulterende elektrische veld vertraagt ​​de beweging van dragers naar het koude uiteinde en versnelt de beweging van dragers naar het hete uiteinde. De niet-evenwichtsverdelingsfunctie gevormd door de temperatuurgradiënt verschuift onder invloed van het elektrische veld en wordt enigszins vervormd. De resulterende verdeling is zodanig dat de stroom nul is. De sterkte van het elektrische veld is evenredig met de temperatuurgradiënt die het veroorzaakte.

De waarde van de evenredigheidsfactor en het teken ervan zijn afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal. Het is alleen mogelijk om het elektrische Seebeck-veld te detecteren en de thermo-elektromotorische kracht te meten in een circuit dat uit verschillende materialen bestaat. Verschillen in potentiële contacten komen overeen met het verschil in chemische potentialen van de materialen die in contact komen.

Peltier-effect

Het Peltier-effect is dat wanneer een gelijkstroom door een thermokoppel bestaande uit twee geleiders of halfgeleiders gaat, er een bepaalde hoeveelheid warmte wordt vrijgegeven of geabsorbeerd op het contactpunt (afhankelijk van de richting van de stroom).

Wanneer elektronen via een elektrisch contact van een p-type materiaal naar een n-type materiaal gaan, moeten ze een energiebarrière overwinnen en daarvoor energie uit het kristalrooster (koude overgang) halen. Omgekeerd, wanneer u van een n-type materiaal naar een p-type materiaal gaat, doneren elektronen energie aan het rooster (hot junction).

Peltier-effect:

Thomson-effect

Het Thomson-effect is dat wanneer een elektrische stroom door een geleider of halfgeleider vloeit waarin een temperatuurgradiënt ontstaat, naast de Joule-warmte een bepaalde hoeveelheid warmte wordt vrijgegeven of geabsorbeerd (afhankelijk van de richting van de stroom).

De fysische reden voor dit effect houdt verband met het feit dat de energie van vrije elektronen afhankelijk is van de temperatuur. Dan krijgen de elektronen in de hete verbinding een hogere energie dan in de koude. De dichtheid van vrije elektronen neemt ook toe met toenemende temperatuur, wat resulteert in een stroom van elektronen van het hete uiteinde naar het koude uiteinde.

De positieve lading hoopt zich op aan het hete uiteinde en de negatieve lading aan het koude uiteinde. De herverdeling van ladingen verhindert de stroom van elektronen en stopt deze bij een bepaald potentiaalverschil volledig.

De hierboven beschreven verschijnselen treden op vergelijkbare wijze op bij stoffen met gatengeleiding, met als enige verschil dat negatieve lading zich ophoopt aan het hete uiteinde en positief geladen gaten aan het koude uiteinde. Daarom blijkt het Thomson-effect voor stoffen met gemengde geleidbaarheid te verwaarlozen.

Thomson-effect:

Het Thomson-effect heeft geen praktische toepassing gevonden, maar het kan worden gebruikt om het type onzuiverheidsgeleidbaarheid van halfgeleiders te bepalen.

Praktisch gebruik van Seebeck- en Peltier-effecten

Thermo-elektrische verschijnselen: Seebeck- en Peltier-effecten - vinden praktische toepassing in machineloze warmte-naar-elektrische-energieomzetters - thermo-elektrische generatoren (TEG), in warmtepompen - koelapparaten, thermostaten, airconditioners, in meet- en regelsystemen zoals temperatuursensoren, warmtestroom (zie - Thermo-elektrische omvormers).

De kern van thermo-elektrische apparaten zijn bijvoorbeeld speciale halfgeleiderelementen-transducers (thermo-elementen, thermo-elektrische modules), zoals TEC1-12706. Lees hier meer: Peltier-element - hoe het werkt en hoe te controleren en aan te sluiten