Termoelektryczny efekt Seebecka: co to jest? Jak działają i działają termopary i generatory termoelektryczne

Jeśli dwa pręty wykonane z różnych metali zostaną mocno dociśnięte do siebie, wówczas po ich zetknięciu powstanie podwójna warstwa elektryczna i odpowiadająca jej różnica potencjałów.

Zjawisko to wynika z różnicy wartości pracy wyjścia elektronów z metalu, charakterystycznej dla każdego z dwóch stykających się metali. Praca pracy elektronów z metalu (lub po prostu praca pracy) to praca, którą należy wykonać, aby przenieść elektron z powierzchni metalu do otaczającej próżni.

W praktyce im większa praca wyjścia, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że elektrony przejdą przez interfejs. W rezultacie okazuje się, że ładunek ujemny gromadzi się po stronie styku, gdzie znajduje się metal o większej (!) pracy wyjścia, a ładunek dodatni po stronie metalu o mniejszej pracy wyjścia.

Zjawisko to zaobserwował i opisał włoski fizyk Alessandro Volta. Z doświadczenia wydedukował dwa prawa znane dziś jako Prawa Volty.

Pierwsze prawo Volty brzmi następująco: na styku dwóch różnych metali powstaje różnica potencjałów, która zależy od natury chemicznej i temperatury połączeń.

Drugie prawo Volty: różnica potencjałów na końcach przewodów połączonych szeregowo nie zależy od przewodów pośrednich i jest równa różnicy potencjałów, która występuje, gdy najbardziej zewnętrzne przewody są połączone w tej samej temperaturze.

Z punktu widzenia klasycznej teorii elektronów niezwykłe wyniki eksperymentu Volty są wyjaśnione w prosty sposób. Jeśli przyjmiemy, że potencjał na zewnątrz metalu wynosi zero, to wewnątrz metalu z potencjałem? Energia I elektronu względem próżni będzie równa:

Doprowadzając do kontaktu dwa różne metale o wyjściach A1 i A2, zaobserwujemy nadmierne przejście elektronów z drugiego metalu, o niższej pracy wyjścia, do pierwszego metalu, którego praca wyjścia jest większa.

W wyniku tego przejścia stężenie (n1) elektronów w pierwszym metalu wzrośnie w stosunku do stężenia elektronów w drugim metalu (n2), co wygeneruje odwrotny nadmiar dyfuzyjnego strumienia gazów elektronowych skierowanych przeciw przepływ spowodowany różnicą w funkcjach roboczych.

W stanie równowagi na granicy dwóch metali powstanie następująca różnica potencjałów:

Wartość stacjonarnej różnicy potencjałów można określić w następujący sposób:

Zjawisko to, w którym występuje kontaktowa różnica potencjałów, która oczywiście zależy od temperatury, nazywa się efekt termoelektryczny lub efekt Seebecka… Efekt Seebecka leży u podstaw działania termopar i generatorów termoelektrycznych.

Termopara składa się z dwóch złączy dwóch różnych metali.Jeśli jedno ze złączy jest utrzymywane w wyższej temperaturze niż drugie, to a termoEMF:

Termopary służą do pomiaru temperatury, a baterie pochodzące z różnych termopar mogą być używane jako źródła pola elektromagnetycznego, a nawet generatory termoelektryczne.

W generatorze termoelektrycznym, gdy połączenie dwóch różnych metali zostanie podgrzane, między wolnymi przewodnikami znajdującymi się w niższej temperaturze, powstaje termoelektryczna różnica potencjałów lub termoEMF.A jeśli zamkniesz taki obwód do rezystancji, wówczas popłynie prąd obwód, to znaczy nastąpi bezpośrednia konwersja energii cieplnej na energię elektryczną.

Współczynnik Seebecka, jak powiedział Volta, zależy od rodzaju metali zaangażowanych w tę termoparę. Wartości ThermoEMF dla różnych termopar są mierzone w mikrowoltach na stopień.

Jeżeli weźmiemy drut oczkowy złożony z dwóch różnych metali A i B połączonych w dwóch miejscach i podgrzejemy jedno ze złączy do temperatury T1 tak, aby temperatura T1 była wyższa niż T2 (temperatura drugiego złącza), to w gorącym kontakt prąd będzie kierowany z metalu B na metal A, a na zimno - z metalu A na metal B. Pole termoelektromagnetyczne metalu A w tym przypadku jest uważane za dodatnie w stosunku do metalu B.

Wszystkie znane metale mają swoje własne wartości współczynników termoEMF, można je ułożyć kolejno w kolumnie tak, aby każdy metal wykazywał dodatnią wartość termoEMF w stosunku do kolejnych.

Oto na przykład lista termoEMF (wyrażona w miliwoltach), która powstanie, gdy określone metale zostaną połączone razem z platyną przy różnicy temperatur kontaktu wynoszącej 100 stopni:

Za pomocą podanych danych można określić, jaki rodzaj termoEMF okaże się, jeśli na przykład połączymy miedź i aluminium, a różnica temperatur styku zostanie utrzymana na poziomie 100 stopni. Wystarczy odjąć mniejszą wartość termoEMF od większej. Tak więc para miedź-aluminium z różnicą temperatur 100 stopni da termoEMF równą 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

Generatory termoelektryczne oparte na czystych metalach nie są wydajne (ich sprawność wynosi około 1%), więc nie są powszechnie stosowane. Warto jednak zwrócić uwagę na półprzewodnikowe przetworniki termoelektryczne, które wykazują sprawność dochodzącą do 7%.

Bazują one na silnie domieszkowanych półprzewodnikach, roztworach stałych na bazie chalkogenków grupy V. Do utrzymania stałej temperatury strony „gorącej” odpowiednie jest światło słoneczne lub ciepło nagrzanego piekarnika.

Urządzenia takie mają zastosowanie jako alternatywne źródła energii w odległych miejscach: latarnie morskie, stacje meteorologiczne, statki kosmiczne, boje nawigacyjne, przekaźniki aktywne, stacje do ochrony antykorozyjnej rurociągów naftowych i gazowych.

Główne zalety generatorów termoelektrycznych to brak ruchomych części, cicha praca, stosunkowo niewielkie rozmiary i łatwość regulacji. Ich główna wada — wyjątkowo niska sprawność w okolicach 6%, neutralizuje te zalety.