Tęsiame pasakojimą apie termoelektrą. Šį kartą pakalbėsime apie tai, kaip šiluma virsta elektros energija, kokie klausimai neduoda mokslininkams ramybės ir ką tyrinėja Kauno technologijos universiteto mokslininkai.

Jei dar neskaitėte pirmosios straipsnio dalies apie termoelektrą, tą galite padaryti paspaudę šią nuorodą. O mes nieko nelaukdami pratęskime pažintį su termoelektros reiškiniu.

Kaip atsiranda termoelektra?

Termoelektros principas labai seniai žinomas ir yra labai paprastas. Šį reiškinį atrado T. Zebekas (Thomas Seebeck) 1821 m. ir vadinamas Zebeko reiškiniu. Jo paaiškinimą pateikė Tomsonas (Lord Kelvin), todėl jis kartais vadinamas Tomsono reiškiniu, o Zebeko reiškiniu - kai grandinėje jungiami skirtingų medžiagų ir temperatūros kontaktai (termoporos).

Šio reiškinio esmė tokia (žr. 5 pav.): sakykime metale, kuriame daug laisvųjų elektronų. Jei vienas metalo galas šaltas, o kitas karštas, karštajame elektronai juda greičiau, šaltajame lėčiau. Greitesni elektronai chaotiškai judėdami iš karštojo galo pasiekia ir šaltąjį (taip perduodami šilumą šaltajam galui). Susidaro šaltajame gale elektronų perteklius, o karštajame – trūkumas. Karštasis galas dėl elektronų trūkumo įsielektrina teigiamai, o šaltasis dėl jų pertekliaus – neigiamai. Štai ir turime potencialų skirtumą, pliusą ir minusą.

Tas pats kaip akumuliatoriuje. Bėda tik ta, kad elektronai perneša ir šilumą, tad toks elektronų judėjimas suvienodins abiejų galų temperatūras ir potencialų skirtumas išnyks. Kad taip neatsitiktų reikia palaikyti temperatūros skirtumą dirbtinai, vieną galą pastoviai šildyti, o kitą aušinti.

Potencialų skirtumas

Kas daroma dabar?

Termoelektrines medžiagų savybes nusako Zebeko koecientas. Metalams jis yra mikrovoltų vienam kelvinui eilės, taigi mažas. Gerokai didesnis yra puslaidininkiams, jau milivoltų vienam kelvinui eilės, taigi apie tūkstantį kartų didesnis nei metalams.

Kai kurių metalų ir puslaidininkių Zebeko koeficientai pateikti 7 pav. lentelėse.

Čia S – Zebeko koeficientas, sigma - elektrinis laidumas, k - šiluminis laidumas, T – absoliutinė temperatūra

Kai ZT artimas 1, medžiaga laikoma geru termoelektriku, o jei pasiekti ZT artimą 3, tada panaudojant tokias medžiagas termoelektros energetika taptų konkurentabilia su tradicine energetika. Kaip matyti iš ZT išraiškos reikia gero elektrinio laidininko ir blogo šilumos laidininko ir aišku didelio Zebeko koeficiento. Be to šiomis savybėmis medžiaga turi pasižymėti būdama kambario temperatūros. Tai ganėtinai keblus uždavinys.

Pavyzdžiui metaluose tiek elektros krūvį, tiek ir šilumą perneša elektronai. Vadinasi, geras elektrinis laidininkas tuo pat metu būna ir geras šilumos laidininkas (ir atvirkščiai). Taigi šiuo atveju reikia supriešinti šias dvi savybes.

Nagrinėjamos įvairios medžiagos. Kai kurių jų ZT parametro priklausomybės nuo T pateiktos 8 pav., kur matyti kokios medžiagos pasižymi geromis termoelektrinėmis savybėmis. Prasidėjus nanomokslo ir nanotechnologijų erai atsivėrė naujos galimybės. Formuojant nanostuktūras (nanokristalus, kvantines duobes, kvantines vielas) galima keisti medžiagų elektrinį ir šiluminį laidumą.

Šiluminis laidumas ir elektrinė varža susiję su elektron-fononine sklaida, tačiau kvantinėse duobėse elektronai mažiau sąveikauja su gardelės fononais, taigi ir mažiau sklaidomi, sumažėja varža (padidėja laidumas). Mažinant kristalitų geometrinius matmenis didėja draustinės juostos plotis, kuris įtakoja laidumą. Be to, mažėjant kristalitų didumui, didėja kristalitų paviršių įtaka.

Kuo didesnis paviršius tuo labiau skaidomi fononai ir tuo pat metu mažėja elektron-fononinė sąveika, įtakojanti laidumą ir Zebeko koeficientą. Nanostruktūrose pradeda veikti kiti krūvininkų sklaidos mechanizmai todėl įmanoma gauti medžiagas su dideliu elektriniu laidumu ir mažu šiluminiu laidumu ir tuo padidinti parametrą ZT.

Bi₂Te₃/Sb₂Te₃ supergardelėse buvo pasiekta ZT vertė iki 2.4, o PbTe/PbTeSe kvantinių duobių struktūrose ZT vertė didesnė nei 3 esant temperatūrai 600 K.

Kai kurių nanostruktūruotų ZT parametro priklausomybės nuo T pateiktos 8 pav. Kad kiti mechanizmai pradėtų veikti nanostruktūrų matmenys turi būti mažesni už elektronų de Broilio bangos ilgį, už laisvąjį elektronų bei fononų kelią.

Kombinuojant mikro ir nanodaleles, gaunamos medžiagos su mažu šiluminiu laidumu ir elektriniu laidumu, taigi dideliu ZT. Kaip parodyta 10 pav. mikrodalelės sudaro kelią elektronams judėti. Nanodalelių intarpai sklaido fononus. Taigi sumažėja elektron-fononinė sklaida elektrinis laidumas.

Ką daro KTU fizikai?

Šiuo metu nanostruktūros gaunamos įvairios. 11 pav. parodytos pagrindinės nanostruktūrų klasės: tai tūrinės medžiagos, plonos dangos, nanovamzdeliai, atominiai klasteriai. KTU fizikai dirba bent jau su trimis pastarosiomis iš jų.

Jau daugelį metų KTU fizikai nagrinėja plonų dangų formavimo procesus taikydami įvairiausius metodus – magnetroninį nusodinimą, garinimą elektroniniu spindulių, nusodinimą iš garų ir plazmos fazės, plazminį purškimą. Tie patys metodai naudojami ir nanostruktūrizuotų plonų dangų formavimui. Aišku tikslas nėra vien tik termoelektrinės medžiagos, yra visa eilė kitų taikymų.

Tačiau taikymai nėra pagrindinis fizikų tikslas. Taikymais turi užsiimti inžinieriai. Taip kaip matematikai, sukuria uždavinių sprendimo bendriausius metodus, o konkrečius uždavinius sprendžia atitinkamos srities specialistai taikydami tuos matematikų sukurtus metodus. Fizikų tikslas yra ištirti fizikinius (ir cheminius) procesus, vykstančius formuojantis dangoms, rasti dėsningumus ir priklausomybes to, kas nulemia vienokias ar kitokias gautų dangų savybes. Išsiaiškinus procesus ir priklausomybes, galima prognozuoti formuojamų dangų savybes, struktūrą, morfologiją.

Pasinaudodami tokiomis žiniomis inžinieriai sukuria specialios paskirties medžiagas. O tada verslininkai pradeda jas gaminti, parduoda ir uždirba pinigus. Kad fizikai ir inžinieriai neliktų nuskriausti, savo atliktus darbus turi patentuoti. Tada pinigus uždirbs ir fizikai ir inžinieriai, aišku jei jų idėjos buvo pakankamai geros ir konkurencingos. Čia buvo paaiškinimas tiems kurie abejoja ar pasirinkus įdomią fiziko profesiją ir tyrinėjant tokius reiškinius, kaip termoelektrą, galima normaliai pragyventi. Žinoma, jog galima – šiais technologijų laikais mokslas, inžinerija ir verslas taip glaudžiai susiję, jog vieni be kitų negali išgyventi ir privalo dalintis žiniomis, patirtimi ir pagaliau – finansais.

Prof. habil.dr. Arvaidas Galdikas
Fizikos katedra,
Matematikos ir gamtos mokslų fakultetas (buvęs Fundamentaliųjų mokslų fakultetas),
Kauno technologijos universitetas

Literatūra

• 1. S.Kasaf, Thermoelectric effects in metals: termocouples (S.O Kasaf, 1997-2001) An e-booklet
• 2. Jing-Feng Li, Wei-Shu Liu, Li-Dong Zhao, Min Zhou, NPG Asia Mater. 2(4) 152–158 (2010)
• 3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, B. O'Quinn, Nature 413, 597 (2001)
• 4. T. C. Harman, P. J. Taylor, M. P. Walsh, B. E. LaForge, Science 297, 2229 (2002)

Komentarai (0)