Efectul Seebeck termoelectric: ce este? Cum funcționează și funcționează termocuplurile și generatoarele termoelectrice

Dacă două tije din metale diferite sunt presate strâns împreună, atunci la contactul lor se vor forma un dublu strat electric și o diferență de potențial corespunzătoare.

Acest fenomen se datorează diferenței dintre valorile funcției de lucru a electronilor față de metal, caracteristică fiecăruia dintre cele două metale aflate în contact. Funcția de lucru a electronilor din metal (sau pur și simplu funcția de lucru) este munca care trebuie cheltuită pentru a muta un electron de pe suprafața metalului în vidul din jur.

În practică, cu cât funcția de lucru este mai mare, cu atât este mai mică probabilitatea ca electronii să traverseze interfața. Ca urmare, se dovedește că o sarcină negativă se acumulează pe partea de contact, unde se află metalul cu o funcție de lucru mai mare (!), iar o sarcină pozitivă se acumulează pe partea metalului cu o funcție de lucru mai mică.

Fizicianul italian Alessandro Volta a observat acest fenomen și l-a descris. Din experiență a dedus două legi cunoscute astăzi ca Legile lui Volta.

Prima lege a lui Volta sună astfel: la contactul a două metale diferite, apare o diferență de potențial, care depinde de natura chimică și de temperatura joncțiunilor.

A doua lege a lui Volta: diferența de potențial la capetele firelor conectate în serie nu depinde de firele intermediare și este egală cu diferența de potențial care apare atunci când firele cele mai exterioare sunt conectate la aceeași temperatură.

Din punctul de vedere al teoriei electronilor clasice, rezultatele neobișnuite ale experimentului lui Volta sunt explicate destul de simplu. Dacă luăm potențialul din afara metalului ca zero, atunci în interiorul metalului cu un potențial? Energia I a electronului în raport cu vidul va fi egală cu:

Punând în contact două metale diferite cu funcții de lucru A1 și A2, vom observa o tranziție excesivă a electronilor de la al doilea metal, cu funcție de lucru mai mică, în primul metal, a cărui funcție de lucru este mai mare.

Ca urmare a acestei tranziții, concentrația (n1) de electroni în primul metal va crește în comparație cu concentrația de electroni în al doilea metal (n2), ceea ce va genera un exces invers al unui flux difuz de gaze electronice îndreptate împotriva flux cauzat de diferența dintre funcțiile de lucru.

Într-o stare de echilibru la limita a două metale, se va stabili următoarea diferență de potențial:

Valoarea diferenței de potențial staționar poate fi determinată după cum urmează:

Acest fenomen, în care apare o diferență de potențial de contact, care depinde în mod evident de temperatură, se numește efect termoelectric sau efect Seebeck… Efectul Seebeck stă la baza funcționării termocuplurilor și generatoarelor termoelectrice.

Un termocuplu este format din două joncțiuni a două metale diferite.Dacă una dintre joncțiuni este menținută la o temperatură mai mare decât cealaltă, atunci a termoEMF:

Termocuplurile sunt folosite pentru a măsura temperatura, iar bateriile derivate din diferite termocupluri pot fi folosite ca surse EMF și chiar generatoare termoelectrice.

Într-un generator termoelectric, atunci când joncțiunea a două metale diferite este încălzită, între conductorii liberi aflați la o temperatură mai scăzută, apare o diferență de potențial termoelectric sau termoEMF.Și dacă închideți un astfel de circuit la o rezistență, atunci va curge un curent. circuitul, adică va avea loc o conversie directă a energiei termice în energie electrică.

Coeficientul Seebeck, după cum a spus Volta, depinde de natura metalelor implicate în acest termocuplu. Valorile ThermoEMF pentru diferite termocupluri sunt măsurate în microvolți pe grad.

Dacă luați un fir inel format din două metale diferite A și B unite în două locuri și încălziți una dintre joncțiuni la temperatura T1, astfel încât temperatura T1 să fie mai mare decât T2 (temperatura celei de-a doua joncțiuni), atunci în cald. contact curentul va fi direcționat de la metalul B la metalul A, iar la rece - de la metalul A la metalul B. Câmpul termoelectromagnetic al metalului A în acest caz este considerat pozitiv în raport cu metalul B.

Toate metalele cunoscute au propriile valori ale coeficienților termoEMF, ele pot fi aranjate consecutiv într-o coloană, astfel încât fiecare metal să prezinte o termoEMF pozitivă în raport cu următoarele.

De exemplu, iată o listă a termoEMF (exprimată în milivolți) care va rezulta atunci când metalele specificate sunt combinate împreună cu platina cu o diferență de temperatură de contact de 100 de grade:

Cu ajutorul datelor date, este posibil să se determine ce fel de termoEMF va rezulta dacă, de exemplu, cuprul și aluminiul sunt conectate și diferența de temperatură a contactului este menținută la 100 de grade. Este suficient să scazi valoarea termoEMF mai mică din cea mai mare. Deci, o pereche de cupru-aluminiu cu o diferență de temperatură de 100 de grade va da un termoEMF egal cu 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

Generatoarele termoelectrice pe bază de metale pure nu sunt eficiente (eficiența lor este de aproximativ 1%), deci nu sunt utilizate pe scară largă. De remarcat, totuși, convertoarele termoelectrice cu semiconductori, care prezintă o eficiență de până la 7%.

Se bazează pe semiconductori puternic dopați, soluții solide pe bază de calcogenuri din grupa V. Pentru a menține partea „fierbintă” la o temperatură constantă, sunt potrivite lumina solară sau căldura unui cuptor preîncălzit.

Astfel de dispozitive sunt aplicabile ca surse alternative de energie în locații îndepărtate: faruri, stații meteo, nave spațiale, geamanduri de navigație, repetoare active, stații pentru protecția anticoroziune a conductelor de petrol și gaze.

Principalele avantaje ale generatoarelor termoelectrice sunt absența pieselor mobile, funcționarea silențioasă, dimensiunea relativ mică și ușurința de reglare. Principalul lor dezavantaj - eficiența extrem de scăzută în regiunea de 6%, neutralizează aceste avantaje.