Naučnici iz Lorens Berkli Nacionalne laboratorije ministarstva energetike SAD (Lawrence Berkeley National Laboratory) i njihove kolege otkrili su novu vezu između elektro i magnetnih polja i razlika u temperaturi, koja bi mogla da dovede do proizvodnje efikasnijeg termoelektričnog uređaja za pretvaranje toplote u struju ili struje u toplotu.
"U potrazi za novim izvorima energije, termoenergija – sposobnost pretvaranja temperaturnih razlika direktno u struju bez rasipničkih koraka intervencija – neverovatno mnogo obećava", kaže Đinđiao Vu (Junqiao Wu) iz Odeljenja za proučavanje materijala Berkli laboratorije (Materials Sciences Division - MSD), koji predvodi istraživački tim. Vu je takođe profesor nauke o materijalima i inženjeringa na Univerzitetu Kalifornije u Berkliju. "Ali, novi efekat koji smo otkrili, termoenergetska zajednica je previdela, a mogao bi mnogo da utiče na efikasnost termoenergetskih i drugih uređaja."
Vu i njegove kolege su došli do zaključka da toplotni gradijenti u poluprovodnicima, kada je jedna strana uređaja toplija od suprotne strane, mogu da proizvedu električne vrtloge – virove električne struje – i mogu, istovremeno, da stvore magnetna polja pod pravim uglovima kako na površini vrtećih električnih struja, tako i u pravcu toplotnog gradijenta. Istraživači su izvestili o svojim rezultatima u časopisu Physical Review B.
Vu objašnjava: "Postoje četiri dobro poznata efekta koji povezuju termalna, električna i magnetna polja" – na primer, poznati Holov efekat, koji opisuje pojavu napona čiji je pravac upravan na pravac magnetnog polja kada je kroz materijal propuštena struja – "ali kod svih ovih efekata magnetno polje je data vrednost, a ne dobijena vrednost. Upitali smo se 'Zašto ne upotrebiti elektropolje i toplotni gradijent kao date vrednosti i pokušati stvoriti magnetno polje?'"
Kako bi isprobali mogućnosti, istraživači su napravili praktičan uređaj napravljen od dva sloja silikona: tanki, negativno elektrisan sloj (N-tip) sa viškom elektrona i deblji, pozitivno elektrisan sloj (P-tip) sa viškom šupljina, koje predstavljaju odsustvo elektrona koji se ponašaju kao pozitivno naelektrisane čestice. Na spoju gde se suprotno naelektrisani silikonski slojevi sreću, obrazuje se treća vrsta sloja nazvana P-N spoj, formira se ne fizički već elektronski: elektroni iz sloja N-tipa šire se kroz fizičku granicu u sloj P-tipa dok se šupljine kreću u suprotnom pravcu, formirajući osiromašeni sloj gde su naponi presušili.
S obzirom na veliku gustinu pokretnih elektrona na površini sloja N-tipa i na veliku gustinu pokretnih šupljina na površini sloja P-tipa, ali malo pokretnih napona u osiromašenom sloju, električno polje je najače blizu spoja. Ovaj duboki sloj ima pojačane efekte, kada se toplotni gradijent primeni na spojene silikonske slojeve.
Probudite se i pomirišite šampanjac
"Postoje tri načina na koji naponi mogu da se kreću – tri vrste struje", kaže Vu. "Jedna je difuziona struja u kojoj se čestice kreću od gušćih oblasti ka manje gustim oblastima. Ovo nema nikakve veze sa naponom. Zamislite bocu šampanjca. Otvorim ga i ubrzo zatim vi možete da osetite miris šampanjca, zato što se molekuli raspršuju iz njihove guste koncentracije u boci u vazduh."
Druga vrsta struje naziva se driftna struja. "Ako u prostoriji postoji promaja koja se kreće ka vama, možete da osetite miris šampanjca malo ranije, ili ako se kreće od vas, nešto kasnije", objašnjava Vu. "U električnom uređaju, draftna struja je prouzrokovana prednaponom, električnim poljem." Vu dalje kaže: "Tako u eletkrouređaju imamo difuzionu struju koja se kreće od oblasti sa gustim naponom, i driftnu struju zahvaljujući elektropolju, a sada smo dodali treću, termoelektričnu struju, koja je druga vrsta driftne struje u kojoj se nosioci napona kreću iz toplijeg dela uređaja ka hladnijem".
Rezultati ne bi bili interesantni da sve struje pokazuju u istom pravcu, ili u suprotnim pravcima, ali to nije slučaj. Električno polje pokreće driftnu struju od gornjeg sloja negativnog napona ka donjem sloju pozitivnog napona – nasuprot difuzionom strujama nosača napona. U međuvremenu, toplotni gradijent pokreće driftnu struju pod prav ugao u odnosu na električno polje. "U ovim sukobljavajućim upravnim silama, elektroni i šupljine ne mogu da održe pravilno kretanje već su usisani u vrtloge", objašnjava Vu. Umesto jednog vertikalnog vira u uređaju, virovi se obrazuju u svakom sloju i odvaja ih osiromašeni sloj. U sloju N-tipa, široko razdvojeni elektroni blizu osiromašenog sloja kreću se sa toplotnim gradijentom, od toplog ka hladnom, ali se kreću u suprotnim pravcima blizu površine, gde su elektroni nagomilani bliže jedni drugima. Vir koji obrazuju šupljine u sloju N-tipa jeste samo slika u ogledalu elektronskog vira.
Neobičan rezultat jeste da prostom primenom toplote na jednom kraju jednostavnog silikonskog uređaja, istraživači mogu da generišu magnetno polje upravno na vrtlozima blizancima – magnetno polje koje nastaje pod pravim uglovima u odnosu na ravan dva silikonska sloja.
"Neposredna primena nije u tome što mi možemo da napravimo magnetno polje, koje je relativno slabo, već saznanje da bi efikasnost mnogih uređaja sa poluprovodnicima, uključujući i komercijalne proizvode, mogla da bude veća ako bismo to pravilno uradili", kaže Vu. "Na primer, ako bismo ih dizajnirali tako da budemo sigurni da su njihova električna polja, i nehomogenosti u sastavu ili napajanju, povezana sa njihovim toplotnim gradijentima, to bi dovelo do izbegavanja ovih vrtloga struje zbog kojih se gubi energija".
Vuova fasciniranost novim efektom koji su on i njegove kolege iz tima otkrili ovde, međutim,ne prestaje. "Ne interesuje me samo pravljenje efikasnije elektronike već i nastajanje dobrih stvari iz ovoga. Prvi korak jeste da se eksperimentom potvrdi ono što smo otkrili na osnovu modela uzorka. Nakon toga, otvara se ceo novi program istraživanja."
Vu objašnjava da bi izvanredni elektronski i magnetni efekti prouzrokovani temperaturnim razlikama u tekućem modelu, modelu struje, mogli itekako biti udvostručeni drugim vrstama nehomogenih podsticaja – na primer, načinom na koji svetlost pada na solarnu ćeliju. "Različiti intenziteti ili različite talasne dužine koje padaju na različite delove fotonaponskog uređaja proizvešće istu vrstu električnih vrtloga i mogli bi da utiču na efikasnost solarne ćelije. Razumevanje ovog efekta moglo bi da bude put ka boljoj efikasnosti u elektronici, termoenergiji, kao i solarnoj energiji."
Linkovi:
