Termoelektrični Seebeckov učinak: što je to? Kako rade i rade termoparovi i termoelektrični generatori

Ako su dvije šipke izrađene od različitih metala čvrsto stisnute jedna uz drugu, tada će pri njihovom dodiru nastati dvostruki električni sloj i odgovarajuća razlika potencijala.

Ova pojava je posljedica razlike u vrijednostima rada rada elektrona iz metala, karakterističnih za svaki od dva metala u kontaktu. Rad rada elektrona iz metala (ili jednostavno rad rada) je rad koji se mora utrošiti da se elektron pomakne s površine metala u okolni vakuum.

U praksi, što je veći izlazni rad, to je manja vjerojatnost da će elektroni prijeći sučelje. Kao rezultat toga ispada da se na strani kontakta, gdje se nalazi metal s većim (!) radom rada, nakuplja negativan naboj, a na strani metala s nižim radom rada nakuplja se pozitivan naboj.

Talijanski fizičar Alessandro Volta promatrao je ovu pojavu i opisao je. Iz iskustva je izveo dva zakona danas poznata kao Voltini zakoni.

Prvi Voltin zakon zvuči ovako: pri dodiru dva različita metala nastaje potencijalna razlika koja ovisi o kemijskoj prirodi i temperaturi spojeva.

Drugi Voltin zakon: razlika potencijala na krajevima serijski spojenih žica ne ovisi o međužicama i jednaka je razlici potencijala koja nastaje kada su krajnje vanjske žice spojene na istoj temperaturi.

Sa stajališta klasične teorije elektrona, neobični rezultati Voltinog eksperimenta objašnjavaju se prilično jednostavno. Ako potencijal izvan metala uzmemo kao nulu, onda unutar metala s potencijalom? I energija elektrona u odnosu na vakuum bit će jednaka:

Dovođenjem u dodir dva različita metala s radom rada A1 i A2, uočit ćemo prekomjerni prijelaz elektrona iz drugog metala, s nižim radom rada, u prvi metal, čiji je rad rada veći.

Kao rezultat ovog prijelaza, koncentracija (n1) elektrona u prvom metalu će se povećati u usporedbi s koncentracijom elektrona u drugom metalu (n2), što će generirati obrnuti višak difuznog protoka elektronskih plinova usmjerenih protiv protok uzrokovan razlikom u radnim funkcijama.

U stanju ravnoteže na granici dvaju metala uspostavit će se sljedeća razlika potencijala:

Vrijednost stacionarne razlike potencijala može se odrediti na sljedeći način:

Ova pojava, u kojoj se javlja kontaktna razlika potencijala, koja očito ovisi o temperaturi, naziva se termoelektrični ili Seebeckov efekt… Seebeckov efekt je temelj rada termoparova i termoelektričnih generatora.

Termopar se sastoji od dva spoja dva različita metala.Ako se jedan od spojeva održava na višoj temperaturi od drugog, tada a termoEMF:

Termoparovi se koriste za mjerenje temperature, a baterije izvedene iz različitih termoparova mogu se koristiti kao izvori EMF-a, pa čak i termoelektrični generatori.

U termoelektričnom generatoru, kada se spoj dva različita metala zagrijava, između slobodnih vodiča koji se nalaze na nižoj temperaturi, dolazi do termoelektrične razlike potencijala ili termoEMF. A ako zatvorite takav krug na otpor, tada će struja teći strujnog kruga, odnosno doći će do izravne pretvorbe toplinske energije u električnu.

Seebeckov koeficijent, kao što je rekao Volta, ovisi o prirodi metala uključenih u ovaj termoelement. ThermoEMF vrijednosti za različite termoparove mjere se u mikrovoltima po stupnju.

Ako uzmete prstenastu žicu sastavljenu od dva različita metala A i B spojena na dva mjesta i zagrijete jedan od spojeva na temperaturu T1 tako da temperatura T1 bude viša od T2 (temperatura drugog spoja), tada u vrućem kontakt struja će biti usmjerena od metala B do metala A, au hladnom - od metala A do metala B. Termoelektromagnetsko polje metala A u ovom slučaju smatra se pozitivnim u odnosu na metal B.

Svi poznati metali imaju vlastite vrijednosti koeficijenata termoEMF, mogu se poredati uzastopno u stupcu tako da svaki metal pokazuje pozitivan termoEMF u odnosu na sljedeće.

Na primjer, ovdje je popis termoEMF-a (izraženog u milivoltima) koji će nastati kada se navedeni metali kombiniraju s platinom s kontaktnom temperaturnom razlikom od 100 stupnjeva:

Uz pomoć danih podataka moguće je odrediti kakav će termoEMF biti ako se spoje, na primjer, bakar i aluminij, a temperaturna razlika kontakta se održava na 100 stupnjeva. Dovoljno je oduzeti manju vrijednost termoEMF-a od veće. Dakle, par bakar-aluminij s temperaturnom razlikom od 100 stupnjeva dat će termoEMF jednak 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektrični generatori na bazi čistih metala nisu učinkoviti (učinkovitost im je oko 1%), pa nemaju široku primjenu. Vrijedno je napomenuti, međutim, poluvodičke termoelektrične pretvarače, koji pokazuju učinkovitost do 7%.

Temelje se na visokodopiranim poluvodičima, čvrstim otopinama na bazi halkogenida grupe V. Za održavanje konstantne temperature "vruće" strane prikladna je sunčeva svjetlost ili toplina prethodno zagrijane pećnice.

Takvi uređaji primjenjivi su kao alternativni izvori energije na udaljenim mjestima: svjetionici, meteorološke stanice, svemirske letjelice, navigacijske plutače, aktivni repetitori, stanice za antikorozivnu zaštitu naftovoda i plinovoda.

Glavne prednosti termoelektričnih generatora su nepostojanje pokretnih dijelova, tihi rad, relativno male veličine i lakoća podešavanja. Njihov glavni nedostatak - izuzetno niska učinkovitost u regiji od 6%, neutralizira ove prednosti.