godzina...

.
Zjawisko Seebecka



Zjawisko Seebecka

Seebecka zjawisko (zjawisko termowoltaiczne) to jedno ze zjawisk termoelektrycznych, polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej zwanej też siłą termoelektryczną w obwodzie złożonym z dwóch różnych materiałów, których styki mają różne temperatury. Jest ono wynikiem zależności kontaktowej różnicy potencjałów między materiałami od temperatury. Napięcie kontaktowe powstaje wskutek dyfuzji przez powierzchnię kontaktu elektronów od jednego materiału do drugiego. W efekcie przy powierzchni styku w materiale posiadającym mniejszą koncentrację elektronów powstaje ich nadmiar, po przeciwnej stronie styku w drugim materiale niedobór. Różnica jest tym większa, im wyższa jest temperatura styku bo wtedy silniejsza jest dyfuzja elektronów przez styk. Im większa różnica temperatur styków, tym większa siła termoelektryczna.

Zjawisko to odkrył w 1821 T.J. Seebeck. Łącząc w obwód zamknięty dwa przewodniki z różnych materiałów i ogrzewając jedno ze spojeń, Seebeck zauważył, że igła kompasu umieszczona przy jednym z przewodników wychyla się w taki sposób jak w doświadczeniu Oersteda. Wyciągnął stąd wniosek, że wychylenie igły jest wynikiem działania na nią pola magnetycznego, które powstaje wskutek różnicy temperatur spojeń, a więc że zaobserwowane zjawisko jest zjawiskiem termomagnetycznym. Mimo iż znakomita większość ówczesnych uczonych była zdania, źe zjawisko Seebecka to zjawisko termoelektryczne (tzn. różnica temperatur spojeń powoduje przepływ prądu, który wytwarza pole magnetyczne działające na igłę kompasu), Seebeck nie dał się przekonać. Jego nieprzejednany upór zniechęcił oponentów, choć gwoli prawdzie miał tę dobrą stronę, że sam Seebeck, chcąc przekonać przeciwników,  zbadał zjawisko przy użyciu zestawień par bardzo wielu materiałów, znalazł nawet takie pary, które pozwalały wykorzystać to zjawisko do wytwarzania energii elektrycznej z dość znaczną jak na owe czasy wydajnością (jak to później sprawdzono) ok. 3 %.

Kto wie, jaką karierę zrobiłyby wtedy przetworniki termoelektryczne działające na zasadzie zjawiska Seebecka, gdyby takim pomysłom sam Seebeck nie przeciwstawiał się kategorycznie.

Po raz pierwszy zjawisko wykorzystali L. Nobili w 1830 do pomiaru natężenia promieniowania cieplnego budując tzw. termostos (termobaterię), czyli zestaw szeregowo połączonych pojedynczych obwodów (nazwanych potem termoparami albo termoelementami, albo wreszcie termoogniwami), w taki sposób, że jedne styki tych obwodów były wystawione na działanie promieniowania (ich temperatura w związku z tym była wyższa), drugie pozostawały „w cieniu" (ich temperatura była niższa). Współpracownik Nobilego, M. Melloni, rozwinął technikę pomiaru różnicy temperatur styków cieplejszego i chłodniejszego.

Pierwsze prace doświadczalne nad wykorzystaniem zjawiska Seebecka do wytwarzania energii elektrycznej (kosztem energii cieplnej) podjął w 1885 J.W. Rayleigh. Były one potem kontynuowane przez innych badaczy. Dopiero jednak w 1929 A.F. Joffe zwrócił uwagę, że zjawisko to najsilniej występuje w półprzewodnikach, w tych substancjach koncentracja nośników prądu elektrycznego jest względnie znacznie mniejsza niż w metalach, dlatego wskutek dyfuzji nośników przez styk pojawia się znacznie większe napięcie kontaktowe i tylko zastosowanie tych materiałów może nadać sens poszukiwaniom praktycznych generatorów termoelektrycznych (termogeneratorów).

Pierwszy taki generator został zbudowany w 1953 przez pracowników Instytutu Półprzewodników AN ZSRR w Leningradzie pod kierownictwem A.F. Joffego. Stanowi on źródło zasilania lampowego odbiornika radiowego (źródłem energii cieplnej dla generatora była lampa naftowa),

Rozpowszechnienie tranzystorów (urządzenia radiotechniczne z tranzystorami zamiast lamp wymagają znacznie mniejszych mocy zasilania niż analogiczne urządzenia lampowe) zmniejszyło znacznie zainteresowanie generatorami termoelektrycznymi. Po raz drugi zwrócili na nie uwagę naukowcy amerykańscy (Westinghouse Laboratory) kilka lat później, poszukując źródeł zasilania aparatury pokładowej sztucznych satelitów.

W 1959 zbudowali oni jądrowy generator termoelektryczny systemu SNAP (System for Nuclear Auxiliary Power — jądrowy pomocniczy układ zasilania), w którym energii cieplnej zasilającej termogenerator dostarczał mały reaktor jądrowy albo odpowiednia substancja promieniotwórcza. Termogeneratory jądrowe były dla celów próbnych zainstalowane w 1961 w amerykańskich sztucznych satelitach. Próby wypadły wprawdzie pomyślnie, jednak termogeneratory ustępowały znacznie od nich mniejszym i bardziej wydajnym bateriom słonecznym. Obecnie termogeneratory nie znajdują zastosowania praktycznego, a zjawisko Seebecka wykorzystuje się szeroko w technice pomiarowej (pomiary temperatury i natężenie promieniowania).

2006 iwiedza