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'in keşfettiği Seebeck etkisindeki devre şeması. A ve B farklı iki metaldir.

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 fonomen 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 alaşımı, oda sıcaklığında kelvin başına 41 mikrovoltluk bir Seebeck katsayısına sahiptir.

V gerilimi şöyle ifade edilebilir:

${\displaystyle V=\int _{T_{1}}^{T_{2}}\left(S_{\mathrm {B} }(T)-S_{\mathrm {A} }(T)\right)\,dT,}$

Burada ${\displaystyle S_{A}}$ ve ${\displaystyle S_{B}}$, A ve B metallerinin sıcaklık fonksiyonuna bağlı ısıl güçleri (Seebeck katsayıları); ${\displaystyle T_{1}}$ ve ${\displaystyle T_{2}}$, 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:

${\displaystyle V=(S_{\mathrm {B} }-S_{\mathrm {A} })\cdot (T_{2}-T_{1}).}$

Seebeck etkisi bir sıcaklık farkını ölçmek için termokupllarda kullanılır. Mutlak sıcaklık, birinin ucunu bilinen bir sıcaklık değerine ayarlayarak bulunabilir. Bir metalin eğer bileşikleri bilinmiyor, fakat elektrotun 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 olduğu 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 sıfırlar (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 ${\displaystyle \Delta T}$ sıcaklık farkı, eğer az ise, bir malzemenin ısıl gücü yaklaşık olarak şöyle ifade edilir:

${\displaystyle S=-{\Delta V \over \Delta T}}$

Bir ΔV termoelektrik gerilimi uçlarda görülebilir.

Bu ifade, ${\displaystyle E}$ elektrik alanı ve ${\displaystyle \nabla T}$ sıcaklık gradyanı ile yaklaşık olarak şöyle yazılabilir:

${\displaystyle S={E \over \nabla T}.}$

İlgili malzemenin mutlak ısıl gücü, pratikçe yaklaşık olarak ölçülür. Çünkü, termoelektrik gerilimi ölçmek için bir voltmetreye bağlanan elektrotlar malzemeye yerleştirilmelidir. Ardından ölçülen ısıl güç şöyle yazılır:

${\displaystyle S_{AB}=S_{B}-S_{A}={\Delta V_{B} \over \Delta T}-{\Delta V_{A} \over \Delta T}.}$

Süperiletkenlerde S = 0'dır. Taşınan yüklerde entropi oluşmaz. Bu, ilgili malzemenin mutlak ısıl gücünün tam ölçümüdür. Ayrıca ${\displaystyle \mu }$ Thomson katsayısının ölçümünde malzeme ${\displaystyle S=\int {\mu \over T}dT.}$ 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.

Ayrıca bakınız

• Isı aktarımı
• Joule yasası
• Spintronik
• Termoelektrik soğutma