Кіріспе

Температура айырмашылығының электр кернеуіне тікелей айналуы және керісінше – термоэлектрлік әсер физикалық құбылыс ретінде. Термоэлектрлік әсер – температура айырмашылығының термопара арқылы электр кернеуіне тікелей айналуы және керісінше. Термоэлектрлік құрылғы екі жағында температураның айырмашылығы болғанда кернеу тудырады. Керісінше, құрылғыға кернеу қолданғанда, жылу бір жағынан екінші жағына беріліп, температура айырмашылығы пайда болады. Атомдық деңгейде, температура градиенті материалдағы заряд тасымалдаушыларын ыстық жағынан суық жағына диффузиялауға себеп болады. Бұл әсерді электр энергиясын өндіруге, температураны өлшеуге немесе объектілердің температурасын өзгертуге қолдануға болады. Жылудың және салқындатудың бағыты қолданылатын кернеуге байланысты болғандықтан, термоэлектрлік құрылғыларды температураны реттеуге пайдалануға болады. "Термоэлектрлік әсер" термині үш жеке анықталған әсерді қамтиды: Сибек эффектісі, Пельтье эффектісі және Томсон эффектісі. Сибек және Пельтье эффектілері – бір физикалық процестің әртүрлі көріністері; оқулықтар бұл процесті Пельтье-Сибек эффектісі деп атауы мүмкін (бұл айырмашылық француз физигі Жан Шарль Афанас Пельтье және балтық немісі физигі Томас Иоганн Сибектің тәуелсіз ашылуларынан туындайды). Томсон эффектісі Пельтье-Сибек моделінің кеңейтілген түрі болып табылады және ол лорд Келвинге тиесілі. Ток өткізгіш материал арқылы ток өткен кезде пайда болатын Жоульдік қызу, әдетте термоэлектрлік әсер деп есептелмейді. Пельтье-Сибек және Томсон эффектілері термодинамикалық тұрғыдан қайтымды, ал Жоульдік қызу – қайтымсыз.

Қолданбалар

Іс жүзінде, бір біртекті өткізгіш материалдағы жергілікті ыстық немесе суық нүкте үшін термоэлектрлік эффектілер байқауға келмейді, себебі температураның жоғарылауы мен төмендеуінен туындайтын жалпы ЭҚК-лер бір-бірін толыққанды жояды. Ыстық нүктеге электродты бекіту арқылы жергілікті түрде ығысқан кернеуді өлшеуге тырысу тек ішінара сәтті болады: бұл электродтың ішінде басқа температура градиенті пайда болады дегенді білдіреді, сондықтан жалпы ЭҚК электрод пен оған жалғанған өткізгіш арасындағы Зеебек коэффициенттерінің айырмасына байланысты болады. Терможұптарда әрқайсысы әртүрлі материалдан жасалған екі сым болады, олар белгісіз температурада электрлік түрде біріктіріледі. Бос ұштары ашық тізбек күйінде (тоқсыз) өлшенеді. Материалдардың Зеебек коэффициенттері температураға сызықты емес тәуелді және екі материал үшін әртүрлі болғанымен, ашық тізбек жағдайы барлық жерде бірдей ЭҚК-ні қамтамасыз етеді. Сондықтан (толықрақ мәліметтер үшін терможұптар туралы мақаланы қараңыз), сымдардың бос ұштарында өлшенген кернеу тікелей белгісіз температураға тәуелді, бірақ сымдардың нақты геометриясы сияқты басқа ешқандай факторларға тәуелсіз. Бұл тікелей байланыс терможұпты екі материалдың Зеебек коэффициенттерінің айырмасын және өлшенген сымның бос ұштарындағы эталондық температураны білу арқылы калибрленбеген термометр ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Термоэлектрлік сұрыптау терможұпқа ұқсас жұмыс істейді, бірақ белгісіз температураның орнына белгісіз материалды қолданады: белгілі құрамдағы металл зонд тұрақты, белгілі температурада ұсталады және жергілікті түрде зонд температурасына дейін қыздырылған белгісіз үлгімен жанасады, осылайша белгісіз Зеебек коэффициентінің шамамен өлшемін қамтамасыз етеді. Бұл әртүрлі металдар мен қорытпаларды ажыратуға көмектеседі. Термопильдер ыстық және суық арасында тізбектеліп, зигзаг тәрізді орналасқан көптеген терможұптардан құралады. Бұл кернеу шығысын арттырады. Термоэлектрлік генераторлар терможұпқа/термопильге ұқсас, бірақ жылу айырмасынан қуат алу үшін туындаған кернеуден ток алады. Олар терможұптардан өзгешеленеді, термопильдік құрылымда жоғары сапалы термоэлектрлік материалдарды қолдана отырып, алынған қуатты барынша арттыруға бағытталған. Бұл генераторлар аса тиімді болмаса да, қозғалмалы бөліктері жоқ екендігінің артықшылығы бар.

Пельтье эффекті

Электр тогы термоэлектрлік буынның тізбегі арқылы өткен кезде, бір қосылыста жылу пайда болып, екінші қосылыста жұтылады. Бұл Пельтье эффектісі деп аталады: екі түрлі өткізгіштің электрленген қосылысында жылудың пайда болуы немесе салқындауы. Эффект 1834 жылы оны ашқан француз физигі Жан-Шарльз Атанас Пельтье есімімен аталған. А және В екі өткізгіштің арасындағы қосылыстан ток өткенде, қосылыста жылу пайда болуы немесе алынуы мүмкін. Қосылыстағы Пельтье жылуы бірлік уақыт ішінде мына формуламен есептеледі:

мұнда және – А және В өткізгіштерінің Пельтье коэффициенттері, ал – электр тогы (А-дан В-ға). Жылудың жалпы мөлшері Пельтье эффектісімен ғана анықталмайды, өйткені оған Джоуль жылуы және температура градиентінің әсері де ықпал етуі мүмкін (төменде қараңыз). Пельтье коэффициенттері бірлік зарядқа қанша жылу тасымалданатынын көрсетеді. Заряд тогы қосылыс арқылы үздіксіз болуы керек болғандықтан, егер және әртүрлі болса, байланысты жылу ағыны үзіліске ұшырайды. Пельтье эффектісін Зеебек эффектісінің кері әрекеті ретінде қарастыруға болады (магниттік индукциядағы кері ЭҚК-ға ұқсас): егер қарапайым термоэлектрлік тізбек жабық болса, Зеебек эффектісі ток тудырады, ол өз кезегінде (Пельтье эффектісі арқылы) жылуды ыстық қосылыстан салқын қосылысқа әрқашан ауыстырады. Пельтье және Зеебек эффектілерінің тығыз байланысын олардың коэффициенттері арасындағы тікелей байланыс арқылы көруге болады: (төменде қараңыз). Типикалық Пельтье жылу сорғысы бірнеше қосылыстарды тізбектей қамтиды, олар арқылы ток жүргізіледі. Кейбір қосылыстар Пельтье эффектісіне байланысты жылу жоғалтады, ал басқалары жылу алады. Термоэлектрлік жылу сорғылары осы құбылысты пайдаланады, сондай-ақ тоңазытқыштарда қолданылатын термоэлектрлік салқындату құрылғылары да осы принципке негізделген.

Қолданбалар

Пельтье эффектісін жылу сорғысын жасау үшін қолдануға болады. Атап айтқанда, Пельтье термоэлектрлік салқындатқышы – бұл ықшам, айналмалы сұйықтығы немесе жылғалы бөлшектері жоқ тоңазытқыш. Мұндай тоңазытқыштар олардың артықшылықтары өте төмен тиімділік кемшілігінен басым болатын жағдайларда пайдалы. Пельтье жылу сорғылары басқа жылу сорғыларында, мысалы, ылғалды сызып алу құрылғыларында да қолданылуы мүмкін. Термоэлектрлік салқындатқыштар өте оңай қайтымды, яғни оларды токты кері бағыттап жылытқыш ретінде де пайдалануға болады. Қарапайым резистивтік электрлік жылу (Джоуль жылуы) ток квадратына пропорционал өзгеретін болса, термоэлектрлік жылу әсері токқа сызықтық (әсіресе кішкентай токтар үшін), бірақ жылу энергиясын толықтыру үшін салқындатқыш қажет. Бұл жылдам жылу және салқындату әсері көптеген заманауи жылу циклдемелерінде, полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) арқылы ДНК-ны күшейтуге қолданылады. ПТР үшін үлгілерді белгілі температураға дейін циклдік түрде қыздырып, салқындату қажет. Шағын кеңістікке көптеген термоэлементтерді орналастыру көптеген үлгілерді параллель түрде күшейтуге мүмкіндік береді.

Томсон эффектісі

Түрлі материалдарда Зеебек коэффициенті температураға байланысты өзгереді, сондықтан температураның кеңістіктік градиенті Зеебек коэффициентінің градиентіне алып келуі мүмкін. Егер ток осы градиент арқылы өткізілсе, Пельтье эффектісінің үздіксіз түрі пайда болады. Бұл Томсон эффектісін 1851 жылы Лорд Келвин (Уильям Томсон) болжаған және кейіннен байқаған. Ол температуралық градиенті бар ток өткізгіштің қызуын немесе салқындауын сипаттайды. Егер ток тығыздығы біртекті өткізгіштен өтіп кетсе, Томсон эффектісі бірлік көлемдегі жылудың пайда болуын болжайды, мұнда – температура градиенті, ал – Томсон коэффициенті. Томсон эффектісі – өткізгіш ішіндегі температура градиентіне қатысты электр заряд тасымалдаушыларының ағын бағытының көрінісі. Олар жылу градиентіне қарсы бағытта ағып келе жатқан энергияны (жылуды) сіңіріп, әлеуеттік энергиясын арттырады, ал жылу градиентімен бір бағытта ағып келе жатқанда, жылуды бөліп шығарып, әлеуеттік энергиясын азайтады. Томсон коэффициенті Зеебек коэффициентімен байланысты (төменде қараңыз). Дегенмен, бұл теңдеу Джоульдік қызуды және жалпы жылу өткізгіштігін ескермейді (толық теңдеулер төменде келтірілген).