Termoelektrický Seebeckov efekt: čo to je? Ako fungujú a fungujú termočlánky a termoelektrické generátory

Ak sú dve tyče vyrobené z rôznych kovov tesne pritlačené k sebe, potom sa pri ich kontakte vytvorí dvojitá elektrická vrstva a zodpovedajúci potenciálny rozdiel.

Tento jav je spôsobený rozdielom v hodnotách pracovnej funkcie elektrónov z kovu, charakteristických pre každý z dvoch kontaktujúcich kovov. Pracovná funkcia elektrónov z kovu (alebo jednoducho pracovná funkcia) je práca, ktorú je potrebné vynaložiť na presun elektrónu z povrchu kovu do okolitého vákua.

V praxi platí, že čím väčšia je pracovná funkcia, tým nižšia je pravdepodobnosť, že elektróny môžu prejsť cez rozhranie. V dôsledku toho sa ukazuje, že negatívny náboj sa hromadí na strane kontaktu, kde sa nachádza kov s vyššou (!) pracovnou funkciou a kladný náboj sa hromadí na strane kovu s nižšou pracovnou funkciou.

Taliansky fyzik Alessandro Volta pozoroval tento jav a opísal ho. Zo skúseností odvodil dva zákony známe dnes ako Voltove zákony.

Prvý Voltov zákon znie takto: pri kontakte dvoch rôznych kovov vzniká potenciálny rozdiel, ktorý závisí od chemickej povahy a teploty spojov.

Druhý zákon Volta: potenciálny rozdiel na koncoch sériovo zapojených vodičov nezávisí od medziľahlých vodičov a rovná sa potenciálnemu rozdielu, ktorý nastane, keď sú krajné vodiče pripojené pri rovnakej teplote.

Z pohľadu klasickej elektrónovej teórie sú nezvyčajné výsledky Voltovho experimentu vysvetlené celkom jednoducho. Ak berieme potenciál mimo kovu ako nulový, potom vnútri kovu s potenciálom? Energia I elektrónu vzhľadom na vákuum sa bude rovnať:

Pri kontakte dvoch rôznych kovov s pracovnými funkciami A1 a A2 budeme pozorovať nadmerný prechod elektrónov z druhého kovu s nižšou pracovnou funkciou do prvého kovu, ktorého pracovná funkcia je väčšia.

V dôsledku tohto prechodu sa koncentrácia (n1) elektrónov v prvom kove zvýši v porovnaní s koncentráciou elektrónov v druhom kove (n2), čo bude generovať spätný prebytok difúzneho toku elektrónových plynov nasmerovaných proti prietok spôsobený rozdielom v pracovných funkciách.

V rovnovážnom stave na hranici dvoch kovov vznikne nasledujúci potenciálny rozdiel:

Hodnota stacionárneho potenciálového rozdielu sa môže určiť takto:

Tento jav, pri ktorom dochádza k rozdielu kontaktných potenciálov, ktorý samozrejme závisí od teploty, sa nazýva termoelektrický efekt alebo Seebeckov efekt… Seebeckov efekt je základom činnosti termočlánkov a termoelektrických generátorov.

Termočlánok pozostáva z dvoch spojov dvoch rôznych kovov.Ak je jedna z križovatiek udržiavaná na vyššej teplote ako druhá, potom a termoEMF:

Termočlánky sa používajú na meranie teploty a batérie odvodené od rôznych termočlánkov možno použiť ako zdroje EMF a dokonca aj termoelektrické generátory.

V termoelektrickom generátore, keď sa zahreje spoj dvoch rôznych kovov, medzi voľnými vodičmi umiestnenými pri nižšej teplote vzniká rozdiel termoelektrického potenciálu alebo termoEMF. A ak takýto obvod uzavriete na odpor, potom bude prúdiť prúd v okruhu, to znamená, že dôjde k priamej premene tepelnej energie na elektrickú energiu.

Seebeckov koeficient, ako povedal Volta, závisí od povahy kovov zahrnutých v tomto termočlánku. Hodnoty ThermoEMF pre rôzne termočlánky sa merajú v mikrovoltoch na stupeň.

Ak vezmete prstencový drôt zložený z dvoch rozdielnych kovov A a B spojených na dvoch miestach a zohrejete jeden z prechodov na teplotu T1 tak, aby teplota T1 bola vyššia ako T2 (teplota druhého spojenia), potom v horúcom kontaktný prúd bude smerovať z kovu B na kov A a za studena - z kovu A na kov B. Termoelektromagnetické pole kovu A sa v tomto prípade považuje za pozitívne vzhľadom na kov B.

Všetky známe kovy majú svoje vlastné hodnoty koeficientov termoEMF, môžu byť usporiadané za sebou v stĺpci tak, že každý kov vykazuje kladné termoEMF vo vzťahu k nasledujúcemu.

Napríklad tu je zoznam termoEMF (vyjadrený v milivoltoch), ktorý vznikne, keď sa špecifikované kovy skombinujú s platinou s rozdielom kontaktných teplôt 100 stupňov:

Pomocou daných údajov je možné určiť, aký druh termoEMF sa ukáže, ak je napríklad pripojená meď a hliník a teplotný rozdiel kontaktu je udržiavaný na 100 stupňoch. Stačí odpočítať menšiu hodnotu termoEMF od väčšej. Takže pár meď-hliník s teplotným rozdielom 100 stupňov poskytne termoEMF rovný 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektrické generátory na báze čistých kovov nie sú účinné (ich účinnosť je asi 1%), preto sa veľmi nepoužívajú. Za povšimnutie však stoja polovodičové termoelektrické meniče, ktoré vykazujú účinnosť až 7 %.

Ich základom sú vysoko dopované polovodiče, tuhé roztoky na báze chalkogenidov skupiny V. Na udržanie „horúcej“ strany na konštantnej teplote je vhodné slnečné svetlo alebo teplo predhriatej pece.

Takéto zariadenia sú použiteľné ako alternatívne zdroje energie vo vzdialených lokalitách: majáky, meteorologické stanice, kozmické lode, navigačné bóje, aktívne opakovače, stanice na protikoróznu ochranu ropovodov a plynovodov.

Hlavnými výhodami termoelektrických generátorov sú absencia pohyblivých častí, tichý chod, relatívne malé rozmery a jednoduché nastavenie. Ich hlavná nevýhoda - extrémne nízka účinnosť v oblasti 6%, neutralizuje tieto výhody.