Cinta pertamaku terhadap kesan Seebeck

Assalamualaikum wbt, insyaAllah hari ini kita akan bercakap tentang kesan Seebeck. Kali pertama saya berhadapan dengan kesan Seebeck adalah apabila saya membuat eksperimen Fasa Diagram Timah-Plumbum (Tin-Lead Phase Diagram). Untuk memperoleh fasa diagram bagi komposisi timah-plumbum ini, ia memerlukan nilai voltage yang kemudiannya diterjemahkan kepada nilai darjah suhu. Untuk mendapatkan pengaliran voltage inilah kita perlu melakukan fenomena yang dipanggil kesan seebeck ini. Walaupun pembacaan teori saya agak lama berkenaan kesan ini, namun proses melakukannya adalah lebih menarik jika diperbincangkan.

Bayangkan kita mempunyai dua jenis dawai logam yang berbeza, katakanlah, tembaga dan besi, dan kita lilitkan hujung kedua-dua logam bersama-sama. Melalui proses mudah ini, kita baru sahaja mencipta sebuah alat mudah yang dipanggil termogandingan (Thermocouple). Tempat di mana mereka bersatu dipanggil persimpangan (junction).

Litar Termogandingan (Thermocouple circuit)

Sekarang, kita panaskan persimpangan di mana kedua-dua logam bertemu (contohnya, dengan meletakkannya berhampiran dengan api), dan satu lagi bahagian persimpangan pada tempat yang sejuk. Kemudian, kita akan memerhatikan suatu fenomena yang menarik akan berlaku: arus elektrik mula mengalir dalam wayar logam (Melalui pengamatan voltmeter). Inilah yang kita panggil kesan Seebeck.

Jadi, mengapa ini berlaku?

Haba menyebabkan elektron dalam persimpangan yang dipanaskan menjadi teruja (excited). Oleh kerana logam adalah pengalir yang baik (good conductor), elektron teruja ini mula bergerak dari kawasan panas ke kawasan sejuk. Walau bagaimanapun, kerana perbezaan dalam sifat-sifat kedua-dua logam, elektron cenderung untuk bergerak lebih banyak dalam satu logam daripada yang lain. Ini mencipta perbezaan dalam keupayaan elektrik (juga dikenali sebagai voltan) antara kedua-dua logam. Dan apabila ada perbezaan voltan, arus elektrik mula mengalir.

Perbezaan dalam pergerakan ini mewujudkan ketidakseimbangan atau perbezaan potensi elektrik (voltan) antara kedua-dua logam. Satu hujung logam menjadi sedikit bercas negatif (kerana ia mempunyai lebih banyak elektron) dan hujung satu lagi menjadi sedikit bercas positif (kerana ia mempunyai lebih sedikit elektron).

Secara definisi lengkapnya, dua jalur logam yang diperbuat daripada logam yang berbeza dicantum pada hujungnya untuk membentuk gelung. Jika simpang disimpan pada suhu yang berbeza, terdapat arus elektrik dalam gelung. Kesan ini dipanggil kesan Seebeck dan emf yang dibangunkan dipanggil emf Seebeck atau thermo-emf.

Kesan Seebeck juga salah satu prinsip kerja termogandingan selain daripada kesan Peltier dan kesan Thomson.

Aplikasi kesan Seebeck

"That's the Seebeck effect in a nutshell." kata Hariz. Seperti diperkatakan sebelum ini, ia digunakan dalam pelbagai aplikasi, dari mengukur suhu (dalam alat yang dipanggil termometer) hingga menjana kuasa dalam penjana termoelektrik, di mana tenaga haba (seperti dari api atau enjin panas) ditukar secara langsung kepada tenaga elektrik.

Kunci utama dalam kesan Seebeck adalah ia mencipta voltan (dan dengan itu arus elektrik) dengan menggunakan perbezaan suhu di sepanjang persimpangan dua jenis pengalir atau semikonduktor yang berbeza.

Memahami Keupayaan Elektrik (Voltan) melalui analogi tangki air

Keupayaan elektrik, juga dikenali sebagai voltan, mengukur tenaga keupayaan per unit cas disebabkan oleh medan elektrik tertentu. Fikirkan ia seperti tenaga yang berpotensi dimiliki oleh setiap elektron.

Bayangkan anda mempunyai tangki air dengan paip disambungkan kepadanya. Tangki air mempunyai sejumlah tekanan air, iaitu seperti keupayaan elektrik (voltan) dalam wayar logam. Lebih tinggi tekanan air, lebih banyak air boleh mengalir melalui paip. Sekarang, katakan anda mempunyai dua tangki air dengan tekanan air yang berbeza, dan anda menyambungkannya dengan paip. Apa yang akan berlaku? Air akan mengalir dari tangki dengan tekanan yang lebih tinggi ke tangki dengan tekanan yang lebih rendah, sehingga tekanan disamakan. Ini seperti arus elektrik yang mengalir dari logam yang mempunyai potensi elektrik yang lebih tinggi ke logam yang mempunyai potensi elektrik yang lebih rendah, sehingga potensinya disamakan.

Jadi, sebagaimana perbezaan tekanan dalam tangki air dengan menggunakan perbezaan suhu dalam kesan Seebeck, kita boleh mencipta perbezaan voltan, yang kemudiannya memacu arus elektrik. Ini adalah intipati kesan Seebeck.

- hh (30/9/2023)