Den termoelektriske Seebeck-effekten: hva er det? Hvordan termoelementer og termoelektriske generatorer fungerer og fungerer

Hvis to stenger laget av forskjellige metaller presses tett sammen, vil et dobbelt elektrisk lag og en tilsvarende potensialforskjell dannes ved kontakt.

Dette fenomenet skyldes forskjellen i verdiene til arbeidsfunksjonen til elektronene fra metallet, karakteristisk for hver av de to kontaktmetallene. Arbeidsfunksjonen til elektronene fra metallet (eller ganske enkelt arbeidsfunksjonen) er arbeidet som må brukes for å flytte et elektron fra overflaten av metallet inn i det omkringliggende vakuumet.

I praksis er det slik at jo større arbeidsfunksjonen er, jo lavere er sannsynligheten for at elektroner kan krysse grensesnittet. Som et resultat viser det seg at en negativ ladning samler seg på siden av kontakten, hvor metallet med høyere (!) arbeidsfunksjon befinner seg, og en positiv ladning samler seg på siden av metallet med lavere arbeidsfunksjon.

Den italienske fysikeren Alessandro Volta observerte dette fenomenet og beskrev det. Av erfaring utledet han to lover kjent i dag som Voltas lover.

Voltas første lov høres slik ut: ved kontakt mellom to forskjellige metaller oppstår det en potensiell forskjell, som avhenger av den kjemiske naturen og temperaturen til kryssene.

Voltas andre lov: potensialforskjellen i endene av seriekoblede ledninger er ikke avhengig av de mellomliggende ledningene og er lik potensialforskjellen som oppstår når de ytterste ledningene kobles til ved samme temperatur.

Fra den klassiske elektronteoriens synspunkt er de uvanlige resultatene av Voltas eksperiment forklart ganske enkelt. Hvis vi tar potensialet utenfor metallet som null, så inne i metallet med et potensial? I-energien til elektronet i forhold til vakuumet vil være lik:

Ved å bringe to forskjellige metaller med arbeidsfunksjonene A1 og A2 i kontakt, vil vi observere en overdreven overgang av elektroner fra det andre metallet, med en lavere arbeidsfunksjon, til det første metallet, hvis arbeidsfunksjon er større.

Som et resultat av denne overgangen vil konsentrasjonen (n1) av elektroner i det første metallet øke sammenlignet med konsentrasjonen av elektroner i det andre metallet (n2), som vil generere et omvendt overskudd av en diffus strøm av elektrongasser rettet mot flyt forårsaket av forskjellen i arbeidsfunksjoner.

I en likevektstilstand ved grensen til to metaller vil følgende potensielle forskjell bli etablert:

Verdien av den stasjonære potensialforskjellen kan bestemmes som følger:

Dette fenomenet, hvor det oppstår en kontaktpotensialforskjell, som åpenbart avhenger av temperaturen, kalles termoelektrisk effekt eller Seebeck-effekt… Seebeck-effekten ligger til grunn for driften av termoelementer og termoelektriske generatorer.

Et termoelement består av to koblinger av to forskjellige metaller.Hvis det ene krysset holdes på en høyere temperatur enn det andre, så a termoEMF:

Termoelementer brukes til å måle temperatur, og batterier avledet fra forskjellige termoelementer kan brukes som EMF-kilder og til og med termoelektriske generatorer.

I en termoelektrisk generator, når krysset mellom to forskjellige metaller varmes opp, mellom de frie lederne som er plassert ved en lavere temperatur, oppstår det en termoelektrisk potensialforskjell eller termoEMF. Og hvis du lukker en slik krets til en motstand, vil en strøm flyte inn kretsen, det vil si at det vil være en direkte konvertering av termisk energi til elektrisk energi.

Seebeck-koeffisienten, som Volta sa, avhenger av arten av metallene som er involvert i dette termoelementet. TermoEMF-verdier for ulike termoelementer måles i mikrovolt per grad.

Hvis du tar en ringtråd sammensatt av to forskjellige metaller A og B koblet sammen på to steder og varmer opp ett av kryssene til temperaturen T1 slik at temperaturen T1 er høyere enn T2 (temperaturen til det andre krysset), så i den varme kontakt strømmen vil bli rettet fra metall B til metall A, og i kulde - fra metall A til metall B. Det termoelektromagnetiske feltet til metall A i dette tilfellet anses som positivt med hensyn til metall B.

Alle kjente metaller har sine egne verdier av termoEMF-koeffisienter, de kan ordnes fortløpende i en kolonne slik at hvert metall viser en positiv termoEMF i forhold til følgende.

For eksempel, her er en liste over termoEMF (uttrykt i millivolt) som vil resultere når de spesifiserte metallene kombineres med platina med en kontakttemperaturforskjell på 100 grader:

Ved hjelp av de gitte dataene er det mulig å bestemme hva slags termoEMF som vil vise seg hvis for eksempel kobber og aluminium kobles sammen og temperaturforskjellen til kontakten holdes på 100 grader. Det er nok å trekke den mindre termoEMF-verdien fra den større. Så et kobber-aluminium-par med en temperaturforskjell på 100 grader vil gi en termoEMF lik 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektriske generatorer basert på rene metaller er ikke effektive (deres effektivitet er omtrent 1%), så de er ikke mye brukt. Det er imidlertid verdt å merke seg termoelektriske halvlederomformere, som viser en effektivitet på opptil 7%.

De er basert på høyt dopede halvledere, solide løsninger basert på kalkogenider i gruppe V. For å holde den "varme" siden på en konstant temperatur er sollys eller varmen fra en forvarmet ovn egnet.

Slike enheter kan brukes som alternative energikilder på avsidesliggende steder: fyrtårn, værstasjoner, romfartøy, navigasjonsbøyer, aktive repeatere, stasjoner for korrosjonsbeskyttelse av olje- og gassrørledninger.

De viktigste fordelene med termoelektriske generatorer er fraværet av bevegelige deler, stille drift, relativt liten størrelse og enkel justering. Deres største ulempe - ekstremt lav effektivitet i området 6%, nøytraliserer disse fordelene.