Het Seebeck-Effect en het Peltier-Effect zijn de twee belangrijkste principes die de werking van thermo-elektrische generatoren bepalen.

Het Seebeck-Effect en het Peltier-Effect kunnen beide worden ingedeeld onder de term thermo-elektrisch effect. Elk thermo-elektrisch effect omvat de omzetting van verschillen in temperaturen in spanningsverschillen. De effecten van Seebeck en Peltier zijn verschillende manifestaties van hetzelfde fysieke proces. In sommige gevallen zijn ze met elkaar verbonden en staan ze bekend als het Seebeck-Peltier-Effect. De reden waarom deze twee effecten worden gescheiden is te wijten aan hun onafhankelijke ontdekkingen door twee verschillende individuen. Laten we eerst kijken naar wat het Seebeck-Effect in detail is.

Wat is het effect van Seebeck?

het effect van Seebeck werd ontdekt door de Baltische natuurkundige Thomas Johann Seebeck. Het Seebeck-Effect is een fenomeen waarbij een temperatuurverschil tussen twee ongelijksoortige elektrische geleiders of halfgeleiders een spanningsverschil tussen deze twee stoffen veroorzaakt.

wanneer warmte wordt toegepast op een van de twee geleiders of halfgeleiders, worden de elektronen opgewonden door de warmte. Aangezien slechts één van de twee zijden wordt verwarmd, beginnen de elektronen naar de koelere kant van de twee geleiders te bewegen. Als beide geleiders zijn aangesloten in de vorm van een circuit, een gelijkstroom stroomt door het circuit.

de spanningen die door het Seebeck-Effect worden veroorzaakt, zijn klein. Het bereik van de geproduceerde spanning is meestal in de Orde van een paar microv (een miljoenste van een volt) per Kelvin van temperatuurverschil op de kruising. Als het temperatuurverschil groot genoeg is, kunnen sommige apparaten een paar millivolts (dat is een duizendste van een volt) produceren.

meerdere van dergelijke apparaten kunnen parallel worden aangesloten om de maximale leverbare stroom te verhogen. Het is aangetoond dat dergelijke apparaten een kleinschalig niveau van elektrisch vermogen leveren als een groot temperatuurverschil wordt gehandhaafd over de kruispunten.

demonstratie van Seedback effect

Het Seebeck Effect kan ons helpen het door een apparaat gegenereerde elektromotorische veld te berekenen. Dit kan worden gedaan met behulp van de Seebeck coëfficiënt. De Seebeck-coëfficiënt van een materiaal is de maat voor de grootte van de verhoogde thermo-elektrische spanning in reactie op de temperatuurverschillen in een bepaald materiaal. Met behulp van de elektromotorische kracht kunnen we ook de stroomdichtheid van het thermo-elektrische materiaal berekenen. De relevante vergelijkingen hiervoor zijn als volgt:

Eemf= -s∆T

J= σ(-∆V+Eemf)

hier betekent J de stroomdichtheid en σ de lokale geleidbaarheid van de geleider.

Wat is Peltier Effect?

het Peltier-Effect is vernoemd naar de Franse natuurkundige Jean Charles Athanase Peltier, die dit fenomeen in 1834 ontdekte. Het Peltier-Effect is de aanwezigheid van verwarming of koeling op een geëlektrificeerde verbinding van twee verschillende geleiders. Wanneer een stroom door een verbinding tussen twee geleiders stroomt, mag warmte worden toegevoegd of verwijderd op de verbinding.

demonstratie van Peltier-Effect

de Peltier-warmte die wordt gegenereerd op de kruising per tijdseenheid is waar ∏A en ∏B de Peltier-coëfficiënten zijn.

Q=(∏A – B B)I

hier betekenen A en B de twee uiteinden van de geleiders, terwijl I de elektrische stroom is. De Peltier-coëfficiënten geven aan hoeveel warmte per laadeenheid wordt vervoerd. Aangezien de lading continu over een kruising moet zijn, zal de bijbehorende warmtestroom een discontinuïteit ontwikkelen als ∏A en ∏B verschillend zijn.

het Peltier-Effect kan worden beschouwd als de back-action tegenhanger van het Seebeck-Effect: als een eenvoudige thermo-elektrische kring wordt gesloten, dan zal het Seebeck-Effect een stroom aandrijven, die op zijn beurt (door het Peltier-effect) altijd warmte van de hete verbinding naar de koude verbinding zal overbrengen.

een typische Peltier warmtepomp heeft meerdere aansluitingen in serie, waardoor een stroom wordt aangedreven. Sommige knooppunten verliezen warmte door het Peltier-Effect, terwijl andere warmte krijgen. Thermo-elektrische warmtepompen benutten dit fenomeen, net als thermo-elektrische koelapparaten in koelkasten.