Seebeck Etkisi

Sıcaklık farklı homojen iletkene (bir metal tel parçası gibi) uygulandığında gerilim potansiyeli oluşur. Bu Seebeck etkisi olarak bilinir. Bu olay tanecikler halinde metalin iletim elektronlarıyla açıklanabilir. Küçük taneciklerin kinetik enerjileri sıcaklıkla arttıkça iletkenin uçtaki soğuk kısımda bulunan elektronlar sıcak uçtakinden daha az ısıl enerjiye sahiptirler. Bu nedenle iletken elektronlar sıcaktan soğuğa doğru sonra da sıcaktan soğuğa doğru hareket ederler. Bu soğuk uçtaki net elektron kütlesi soğuk ucu negatif yükleyerek iletken boyunca potansiyel farkı oluştururlar.

Şekil 4.1 Yarıiletkenler üzerine seebeck etkisi [4]

Şekil 4.1’de görüldüğü gibi ısıl çift iletkenler iki farklı metalden oluşurlar. Bu sıcaklık ölçen alette ısıl çift A referans olarak kullanılır ve bağıl soğuk sıcaklık Tc’de tutulur. Isıl çift B Th sıcaklığını ölçmek için kullanılır. Th, Tc’den daha yüksektir. Isıl çift B’ye ısı uygulandığında, gerilim T1 ve T2 kutuplarında oluşamaya başlar. Seebeck elektromotor kuvveti olarak bilinen gerilim (Vo) şöyle ifade edilebilir:

Malzeme X

Malzeme Y Malzeme Y ISI

Vo=αx(Th-Tc) (4.2) Burada α ve x malzemelerinin arasındaki Seebeck katsayısıdır. Birimi volt/K’dir.

4.2.2 Peltier Etkisi

İletken malzemenin bir parçasında Seebeck etkisi oluşurken, Peltier etki iki farklı iletken bir bağlantıyla bir araya getirilirse oluşur. Çünkü iki malzemenin Fermi seviyeleri genellikle farklıdır. Bazı elektronlar bağlantı boyunca başka elektron akışına engel olmak için yeterli büyüklükte oluşturulmuş elektrik alana kadar bağlantıdan geçerler. Potansiyel farkı büyüklüğü, sıcaklık bağlantısında kullanılan metallerin çeşidine bağlı olan Peltier bağlantısı boyunca oluşur. Buna ek olarak, elektronların bağlantıdan karşıya geçmek için metalin enerjisini kullanmaları nedeniyle bağlantıda sıcaklık düşüşü de gözlemlenir.

Şekil 4.2 Yarıiletkenler üzerine peltier etkisi [4]

Gerilim Vin, T1 ve T2 kutuplarına uygulanırsa elektriksel akım (I) çemberde dolaşmaya başlar. Bu akımın akışı sonucunda, soğutma etkisi (Qc) ısının emildiği ısıl çift bağlantısı A’da oluşur ve ısıtma etkisi (Qh) ısının dışarıya atıldığı bağlantı B’de oluşur. Bu etki elektrik akım doğrultusu değiştirildiğinde ısı akış doğrultusuna doğru çevrilebilir.

Qh veya Qc=ρxI (4.3) Malzeme X

Thompson etkisi, elektrik akımı ve sıcaklık farkı tek parçalı iletken malzemeden geçerken ısıyı absorbe etmesi veya ısıyı yaymasıdır. Thompson (19.yüzyıl ortalarında) Seebeck gerilimleri arasındaki çelişkileri çözmeye çalışmıştır. Termoelektrik devirleri ve gerilimleri ölçmüş ve termodinamik kanunlarına uyan tersinir sistemi bulmaya çalışmıştır (Huang vd., 2005)

4.3 Termoelektrik Parametrelerin Ölçümü

4.3.1 Elektriksel İletkenlik

Termoelektrik malzemeler Peltier ve Seebeck etkileriyle bağlantılı özel bir problem göstermektedirler. Elektriksel rezistans ölçümlerindeki hatanın kaynağı olabilecek termoelektrik voltajları üreten umulmadık sıcaklık gradyenleri olasılığı uzun yıllardır bilinmektedir. Termoelektrik malzemedeki özelliklerin bağlantısında; akım akışı sırasında Peltier efekti sebebiyle önemli bir sıcaklık gradyeni oluşturur ve bu sıcaklık gradyeni dönüşte bir termoelektrik voltaj oluşturur. Bu durumda akımın yönünü tersine çevirme sadece sıcaklık gradyeninin ve sonuç olarak Seebeck voltajının yönlerini tersine çevirir. Başka bir deyişle, termoelektrik voltaj sebebiyle oluşan hatalar sadece akım yönünün tersine çevrilmesiyle giderilemezler.

Peltier etkisi sebebiyle oluşan sıcaklık gradyeninin oluşması bir miktar zaman alırken, numunenin direnci sebebiyle oluşan potansiyel gradyen hemen oluşur. Bu birçok deneyde faydalanılan bir durumdur.

En doğru elektriksel iletkenlik ölçümleri DC potansiyometresi ile yapılmaktadır. Fakat bu esnada sıcaklık gradyenlerinin oluşmasına zaman tanımamak için numunenin içinden geçen akım periyodik olarak tersine çevrilir. Buradan görüleceği gibi numunenin potansiyel gradyeni yüzeyine eklenmiş millerle sağlanır, bu akım kontaklarındaki direnç sebebiyle oluşacak hataları engeller.

Elektriksel direnci ölçmek için kullanılan diğer bir alternatif düzen bir AC kaynağı tarafından beslenen bir Wheatstone köprüsünden oluşur. Çevrimdeki bütün reaktanların olabildiğince küçük tutulması önemlidir.

4.3.2 Isıl İletkenlik

Elektriksel iletkenlik ölçümünde numunenin içinden başka bir yerden geçen akım ihmal edilebilir, ısıl iletkenlik ölçümünde ise dış çevre ile radyasyon, konveksiyon veya kondüksiyon yoluyla ısı alışverişine izin verilmelidir. Problem ısıl yalıtımın hiçbir zaman elektriksel yalıtım kadar iyi olmamasından kaynaklanmaktadır.

4.3.2.1 Statik Yöntemler

Eğer ısıl iletkenlik yüksek ise, uzunluğun kesit alanına oranı da yüksek olmalıdır. Isıl iletkenlik düşük olduğunda bu oranı azaltmak gerekir ki bu da kaynak ve örneğin yüzeyi ile çevre arasındaki ısı alışverişini minimize eder. Kısa bir örneğin kullanılması dengeye çabuk ulaşılmasını sağlar. Kısa bir örneğin üzerine bağlanmış termometrelerle doğru bir ölçüm yapabilmek mümkün değildir. Isı kaynağı, ısı düşürücü ve örnek arasındaki ısıl kontağın çok iyi olabilmesi için bütün yüzeylerin olabildiğince düz olmaları çok önemlidir.

Bower ve arkadaşlarının kullandığı aletin temel prensipleri Şekil 4.3’de gösterilmiştir. Kabın duvarları öyle bir şekilde ısıtılır ki, düşey doğrultuda alınan bir sıcaklık numune bütününün aynı seviyedeki sıcaklığı ile aynıdır. Bunun dışında, test numunesinden geçen ısı her iki taraftaki standart örneklerden geçen ortama ısı olarak belirlenmektedir.

Isıl iletkenliği arttırmak için blokların (numune bütünündeki) tüm yüzeyleri pürüzsüz ve düzdür, fakat küçük ısıl dirençler hataya yol açmaz çünkü sıcaklık gradyanları numunelerin içine konulan ısıl çiftler ile ölçülmektedir.

Standart malzemelerin kesinlikle doğru ölçümleri çok büyük numuneler kullanılarak yapılabilmektedir. Çünkü böyle numunelerde ısı kayıpları küçük olanlara göre daha azdır.

4.3.2.2 Dinamik Yöntemler

Statik yöntemlerle ölçüm genellikle uzun ve yorucu bir yöntemdir. Ioffe hataların %5’ten daha az olduğu bir dinamik yöntem bulmuşlardır. Bu alet Şekil 4.4’te gösterilmektedir. Burada numune iki tane bakır blok arasına konulmuş ve numune ile alt blok arasına elektriksel

direncini ihmal edilebilir düzeylere indirmek için gliserin, yağ, galyum veya bir miktar amalgam ile kaplanmıştır. Mika tabakasının ısıl direnci için bazı kabuller yapmak gerekmektedir.

Şekil 4.3 Isıl iletkenliğin ölçümü için Bowers tarafından kullanılan karşılaştırma yöntemi (Huang vd., 2005)

İlk olarak tüm aygıt oda sıcaklığındadır. Daha sonra alt blok düşük sıcaklıkta bir banyoya konulmakta ve iki blok arasındaki sıcaklık farkı ile birinin mutlak sıcaklığı sürekli kaydedilmektedir.”C2” ve “T2” yi üst bloğun ısıl kapasitesi ve sıcaklığı olarak kabul edilirse, zamanla ısı kaybetmesi (4.4) nolu denklemle gösterilir.

C2dT2/dt (4.4) İdeal durumda bu ısı kaybı (4.5) ifadesine eşit olmalıdır.

K(T2-T1)A/1 (4.5) T1: Alt bloğun sıcaklığı K : Numunenin ısıl iletkenliği

Şekil 4.4 Isıl iletkenliği ölçmek için Ioffe tarafından kullanılan dinamik yöntem (Huang vd., 2005)

Böylece prensipte “K” hesaplanabilir. Pratikte alt bloğa geçen sıcaklığın bir kısmının üst bloktan ziyade numunenin kendisinden geldiğini hesaba katmak gerekir. Bu da numunenin ısıl kapasitesinin dörtte birinin, üst bloğun C2 ısıl kapasitesine eklenmesi gerektiğini göstermektedir.

Üst blok ile çevreleyen duvarlar arasında bir miktar ısı aktarımı söz konusudur. Gerekli düzeltme faktörü dengeye ulaştıktan sonra iki blok arasındaki sıcaklık farkı ölçülerek belirlenebilir. Konveksiyon çok az önemlidir çünkü alt blok soğutucudur. Ayrıca kaptaki havanın çok azaltılmasıyla ihmal edilebilir boyutlara düşürülmektedir.

Kaganov ve Swann doğru sonuçların ancak soğutma periyodunun özel bir kısmında sıcaklık ölçümleri yapılarak elde edilebileceğine dikkat çektiler. Sıcaklığın değişme oranı, alt blok soğutma banyosuna konulduktan sonra veya iki bloğun sıcaklıkları neredeyse eşit olduğunda belirlenmelidir.

iyi sıcaklık ileten malzemelerin kötü iletenlere oranla daha soğuk olmaları durumunu nicel bir kullanıma çevirmektedir.

Bu ısıl karşılaştırıcı, ısıl çift ekli iki adet fosfor-bronz topunun içine konulduğu bir balsa tahtasından oluşur (zayıf iletken). Isıl çiftler diferansiyel olarak birbirlerine bağlıdırlar.

Fosfor-bronz toplardan biri balsa tahtası bloğunun alt yüzeyinden çıkıntı yapmaktadır. Bütün alet bir fırına konulur ve uniform bir sıcaklık elde edildikten sonra alınır ve bir numunenin düz yüzeyine yerleştirilmektedir. Çıkıntı yapan topun ısısı, kondüksiyonla ısı kaybedilmesi sebebiyle daha hızlı düşer. İki top arasındaki sıcaklık farkının büyüme hızı, numunenin ısıl iletkenliği ile bir ilişki oluşturur. Bu enstrümanın bilinen iletkenlik değerlerine sahip numuneler kullanılarak kalibre edilmesi gereklidir ( Ni vd., 2005) .