Współczynnik Seebecka

Efekt Seebecka jest wykorzystywany głównie do pomiaru temperatury za pomocą termopar i staje się coraz ważniejszy w konwersji ciepła odpadowego na energię elektryczną za pomocą generatorów termoelektrycznych. Procesy te są odwracalne. Odwrotnym procesem, w którym różnice napięcia generują różnice temperatur, jest efekt Peltiera, wykorzystywany do chłodzenia w mikroelektronice i nanotechnologii.

Kluczową miarą oceny wydajności materiałów termoelektrycznych jest współczynnik ZT, bezwymiarowy wskaźnik opisujący wydajność materiału. Wartość ZT rośnie wraz z kwadratem współczynnika Seebecka, średnią bezwzględną temperaturą pracy i przewodnością elektryczną, natomiast maleje wraz z przewodnością cieplną właściwą. Zmienne te są zależne od temperatury, a właściwości materiału muszą być uwzględnione w obliczeniach współczynnika ZT w funkcji temperatury. Równanie definicji jest następujące

Aby określić wartość ZT przewodników elektrycznych i półprzewodników, stosuje się precyzyjne przyrządy pomiarowe, takie jak te oferowane przez Linseis, do pomiaru wymaganych właściwości materiału. Jeśli różnica temperatur jest niewielka, a współczynniki Seebecka można uznać za stałe, wzór na napięcie jest uproszczony:

_SA i_SB oznaczają współczynniki Seebecka dwóch materiałów, podczas gdy _T1 i _T2 reprezentują temperatury w dwóch punktach styku. Napięcie jest wytwarzane przez dyfuzję termiczną, w której wysokoenergetyczne elektrony dyfundują w ciepłym punkcie styku w kierunku chłodniejszego przewodnika. Prowadzi to do stałego transportu elektronów z dodatniego do ujemnego przewodnika, przy czym oprócz energii elektrycznej przekazywana jest energia cieplna. Jednak ten transfer ciepła zmniejsza wydajność efektu Seebecka.

Im wyższa przewodność elektryczna i niższa przewodność cieplna zastosowanego materiału, tym wyższa sprawność termopary. Decydującym kryterium właściwości przewodnika termoelektrycznego jest tzw. „współczynnik dobroci” (ZT) . Liczba ta uwzględnia już wszystkie istotne zmienne, takie jak temperatura, współczynnik Seebecka, przewodność cieplna i przewodność elektryczna.

W technicznym zastosowaniu termopar, dwa mechanizmy współpracują ze sobą w celu wygenerowania mierzalnego napięcia. Po pierwsze, gradient temperatury powoduje dyfuzję nośników ładunku od gorącego do zimnego końca przewodnika, co prowadzi do napięcia w zakresie miliwoltów i zależy od współczynnika Seebecka. Po drugie, użycie drugiego przewodnika wykonanego z innego materiału tworzy dalszy gradient napięcia w punkcie styku, ponieważ oba materiały różnią się współczynnikami Seebecka.