Termoelektrický jav

Termoelektrický jav je jav, keď sa teplotné rozdiely premieňajú priamo na elektrickú energiu (Seebeckov jav), alebo sa naopak premieňa elektrická energia na teplotné rozdiely (Peltierov jav). Vzniknuté napätie je rádovo niekoľko mikrovoltov na Joule.

V mikroskopickom meradle jav spočíva v difúzii nositeľov náboja z oblasti s vyššou teplotou do oblasti s nižšou teplotou.

Na rozdiel od Joulovho tepla nedochádza k priamej premene elektrickej energie na teplo (ani nedochádza k priamej premene tepla na elektrickú energiu, čo by porušovalo druhý termodynamický zákon), ide len o kontrolu vedenia tepla zvyčajne na rozmedzí dvoch materiálov.

Matematický opis

Rovnice pre Seebeckov jav a Peltierov jav sa dajú spojiť do jednej rovnice.

Seebeckov jav generuje elektrickú silu, čo sa dá popísať nasledujúcou rovnicou:

$\mathbf {J} =\sigma (-{\boldsymbol {\nabla }}V-S{\boldsymbol {\nabla }}T)$,

kde S je Seebeckov koeficient, V je napätie, T je teplota, $\sigma$ je vodivosť a J je prúd.

Plná termoelektrická rovnica pre akumuláciu energie je:

${\dot {e}}={\boldsymbol {\nabla }}\cdot (\kappa {\boldsymbol {\nabla }}T)-{\boldsymbol {\nabla }}\cdot (V+\Pi )\mathbf {J} +{\dot {q}}_{\rm {ext}}$,

kde $\scriptstyle \kappa$ je tepelná vodivosť, a $\scriptstyle {\dot {e}},$ je akumulácia energie. Prvý člen je Fourierov zákon o tepelnej vodivosti, druhý člen popisuje energiu nesenú nosičmi a tretí člen, $\scriptstyle {\dot {q}}_{\rm {ext}}$, môže popisovať externe pridávané teplo.

V ustálenom stave platí, že $\scriptstyle {\dot {e}}\;=\;0$ a že $\scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}\,\cdot \,\mathbf {J} \;=\;0$. Za týchto predpokladov môžeme spojiť predošlé dve rovnice do rovnice:

$-{\dot {q}}_{\rm {ext}}={\boldsymbol {\nabla }}\cdot (\kappa {\boldsymbol {\nabla }}T)+\mathbf {J} \cdot \left(\sigma ^{-1}\mathbf {J} \right)-T\mathbf {J} \cdot {\boldsymbol {\nabla }}S$

Táto rovnica spolu so Seebeckovou rovnicou :$\mathbf {J} =\sigma (-{\boldsymbol {\nabla }}V+\mathbf {E} _{\rm {emf}})$ popisuje teplotné a napäťové charakteristiky aj v zložitých systémoch.

V prípade, že stavy nie sú ustálené, je výpočet omnoho zložitejší.

Využitie

Využitiu v elektrárňach bráni nízka účinnosť a vysoká cena. Na získavanie elektrickej energie sa používa iba v zvláštnych prípadoch napríklad ak nemôžeme použiť pohyblivé časti. Niekedy sa používajú na využitie zvyškového tepla z rôznych zdrojov. Niekedy sa používajú na využívanie tepla z rádioaktívneho rozpadu materiálov v rádioizotopových termoelektrických generátoroch napríklad vo vesmírnych sondách.

Chladiaci efekt sa dá využiť na vytvorenie chladiacich zariadení bez pohyblivých častí a cirkulujúcich tekutín. Je to menej účinné ako bežné chladničky, ale v niektorých prípadoch je to potrebné, najmä ak treba ešte nižšie teploty (ak ešte netreba tekutý dusík).

Pretože vzniknuté napätie je priamo úmerné teplotnému rozdielu, tento jav sa dá využiť aj na meranie teploty termočlánkami.

Referencie

Fyzikálny portál