Termoelektrik etki

Termoelektrik etki, ısının doğrudan elektrik enerjisine veya tam tersine dönüşümüdür. Bir termoelektrik cihazın her bir tarafında bir sıcaklık farklı olduğunda gerilim meydana gelir. Tam tersine, bir cihaza gerilim uygulandığında, sıcaklık farkı oluşur. Atomik boyutta uygulanan sıcaklık gradyanı, malzemedeki yüklerinin sıcak taraftan soğuk tarafa yayılmasına neden olur.
Bu etki elektrik üretiminde, sıcaklık ölçümünde veya maddenin sıcaklıklığını değiştirmek için kullanılabilir. Uygulanan gerilimin kutbu tarafından belirlenen sıcaklık ve soğukluk yönünden dolayı, termoelektrik cihazlar sıcaklık kontrolünde yaygın kullanılır.
Seebeck etkisi
Seebeck etkisi, sıcaklık farklılıklarının doğrudan elektriğe dönüşümüdür. Bu adı, Baltık Alman fizikçi Thomas Johann Seebeck'den dolayı aldı. Seebeck 1821'de, farklı iki metalden yapılmış ve birer uçları birleştirilen bu metaller arasındaki sıcaklık farklılığından dolayı, kapalı biçimdeki bir pusula iğnesinin saptırılabildiğini keşfetti. Bunun nedeni metallerin sıcaklık farklılığına farklı tepkiler vermesidir. Böylece bir elektrik akım döngüsü ve bir manyetik alan oluşur. Seebeck, bunun elektrik akımından kaynaklandığını farkedemedi. Bu yüzden, bu termoelektrik etkiyi fenomen olarak adlandırdı. Danimarkalı fizikçi Hans Christian Ørsted hatayı düzeltti ve "termoelektrik" terimini türetti. Bu etki tarafından oluşturulan gerilim, Kelvin farkı başına birkaç mikrovolttur. Bakır-konstantan alaşımının, oda sıcaklığında Kelvin başına 41 mikrovoltluk bir Seebeck katsayısı vardır.
V gerilimi şöyle ifade edilebilir:
Burada ve, A ve B metallerinin sıcaklık fonksiyonuna bağlı ısıl güçleri (Seebeck katsayıları); ve, iki birleşme noktasının sıcaklıklarıdır. Seebeck katsayıları sıcaklık fonksiyonu olarak doğrusal değildir ve iletkenlerin mutlak sıcaklıklarına, malzemelerine ve moleküler yapılarına bağlıdır. Eğer Seebeck katsayıları, ölçülen sıcaklık değeri için etkin olarak sabitse, yukarıdaki formül şöyle yakınsaklaştırılabilir:
Seebeck etkisi sıcaklık farkını ölçmek için termokupllarda kullanılır. Mutlak sıcaklık, birinin ucunu bilinen bir sıcaklık değerine ayarlayarak bulunabilir. Metalin bileşikleri bilinmiyor fakat elektrodun bileşikleri biliniyorsa, elektrot sabit bir sıcaklığa maruz bırakılarak metal termoelektrik etkisine göre sınıflandırılabilir.
Seebeck etkisi tek bir iletkende vardır. Fakat pratikte, benzer metalllerin birleştirilmesi sonucu oluşan devrelerinde, net döngü gerilimi sıfır olduğundan dolayı ölçülemez.
Isıl güç
Isıl güç veya Seebeck katsayısı S ile ifade edilir. Bu, termoelektrik gerilime maruza kalan bir malzemenin, oluşan sıcaklık farkına verdiği tepkinin büyüklüğüdür. Malzemedeki taşınan her bir yük başına düşen entropiyi ifade eder. S birimi V/K olmasına rağmen daha çok μV/K kullanılır. Yüzlerce μV/K değeri, işaret ne olursa olsun, normalde iyi termoelektrik malzemedir. Malzemenin sıcaklığı ve kristal yapısı Sye etki eder. Normal metallerdeki ısıl güç azdır. Çünkü yarı dolu bantlarda negatif ve pozitif yükler, uygulanan termoelektrik gerilime karşı, birbirlerinin etkilerini sıfırlarlar (yok ederler). Bunun aksine yarı iletkenlerde, elektronlar veya elektron delikleri taşarak S büyüklüğünün artmasına katkı sağlar. Isıl gücün işareti, taşınan yüklerin elektrik iletimindeki çokluğunu ifade eder.
Bir malzemenin iki ucu arasındaki sıcaklık farkı eğer az ise, malzemenin ısıl gücü yaklaşık olarak şöyle ifade edilir:
Bir V termoelektrik gerilimi uçlarda görülebilir.
Bu ifade, elektrik alanı ve sıcaklık gradyanı ile yaklaşık olarak şöyle yazılabilir:
İlgili malzemenin mutlak ısıl gücü, uygulamada yaklaşık olarak ölçülür. Çünkü, termoelektrik gerilimi ölçmek için bir voltmetreye bağlanan elektrotlar malzemeye yerleştirilmelidir. Ardından ölçülen ısıl güç şöyle yazılır:
Süperiletkenlerde S = 0'dır. Taşınan yüklerde entropi oluşmaz. Bu, ilgili malzemenin mutlak ısıl gücünün tam ölçümüdür. Ayrıca Thomson katsayısının ölçümünde malzeme ilişkisi ile ısıl güç elde eder.
S, önemli bir malzeme parametresidir ve termoelektrik malzemenin verimliliğini ifade eder. S nin büyük olması termoelektrik gerilime ve verimin çok olmasına neden olur.
Uygulamalar
Termoelektrik jeneratörler
Seebeck etkisi, ısı motoru gibi çalışan, ancak daha az hantal, hareketli parçası olmayan ve genellikle daha pahalı ve daha az verimli termoelektrik jeneratörlerinde kullanılır. Atık ısıyı elektrik gücüne dönüştürmek için enerji santrallerinde ve otomobillerde yakıt verimliliğini artırmak için otomotiv termoelektrik jeneratörülerinde (ATG'ler) kullanılır. Uzay sondaları genellikle aynı mekanizmalı radyoizotop termoelektrik jeneratörleri kullanır ancak gerekli ısı farkını oluşturmak için radyoizotopları kullanır. Son örnekler ocak fanları, vücut ısısıyla çalışan aydınlatma ve vücut ısısıyla çalışan akıllı saattir.
Peltier etkisi
Peltier etkisi, küçük ve dolaşım sıvısı veya hareketli parçası olmayan buzdolabı yapmak için kullanılabilir. Peltier etkisi aynı zamanda birçok termal döngüleyici, Polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) ile DNA'yı büyütmede kullanılan laboratuvar cihazında da kullanılır. PCR, numunelerin belirli sıcaklıklara döngüsel olarak ısıtılmasını ve soğutulmasını gerektirir. Küçük bir alana birçok termokuplun eklenmesi, birçok numunenin paralel olarak büyütülmesini sağlar.
Sıcaklık ölçümü
Termokupl'lar ve termopil'ler, iki nesne arasındaki sıcaklık farkını ölçmek için Seebeck etkisini kullanan cihazlardır.
Termokupllar, bir bağlantının sıcaklığını sabit tutarak veya onu bağımsız olarak ölçerek genellikle yüksek sıcaklıkları ölçmek için kullanılır (soğuk bağlantı telafisi). Termopiller, çok küçük sıcaklık farklarının hassas ölçümleri için elektriksel olarak seri bağlı birçok termokupl kullanır.
Nem alıcılar
Peltier nem alıcılar, nemli havayı soğuk bir ısı emiciye basarak çalışır. Hava soğuk yüzeyin üzerinden geçerken soğur ve içerdiği su buharı soğutucu üzerinde yoğunlaşır. Su daha sonra bir su tankına damlar. Kuru hava, odaya geri bırakılmadan önce Peltier hücresinin sıcak tarafını soğutmak için başka bir ısı emici üzerinden geçirilebilir.