Den termoelektriska Seebeck-effekten: vad är det? Hur termoelement och termoelektriska generatorer fungerar och fungerar

Om två stavar gjorda av olika metaller pressas hårt ihop, kommer ett dubbelt elektriskt skikt och en motsvarande potentialskillnad att bildas vid kontakt.

Detta fenomen beror på skillnaden i värdena för arbetsfunktionen för elektronerna från metallen, karakteristiska för var och en av de två kontaktmetallerna. Arbetsfunktionen hos elektronerna från metallen (eller helt enkelt arbetsfunktionen) är det arbete som måste läggas ner för att flytta en elektron från metallens yta in i det omgivande vakuumet.

I praktiken gäller att ju större arbetsfunktionen är, desto lägre är sannolikheten för att elektroner kan passera gränssnittet. Som ett resultat visar det sig att en negativ laddning ackumuleras på sidan av kontakten, där metallen med högre (!) arbetsfunktion finns, och en positiv laddning ackumuleras på sidan av metallen med lägre arbetsfunktion.

Den italienske fysikern Alessandro Volta observerade detta fenomen och beskrev det. Av erfarenhet härledde han två lagar som idag kallas Voltas lagar.

Voltas första lag låter så här: vid kontakten mellan två olika metaller uppstår en potentialskillnad, som beror på den kemiska naturen och temperaturen på korsningarna.

Voltas andra lag: potentialskillnaden i ändarna av seriekopplade ledningar är inte beroende av mellanledarna och är lika med potentialskillnaden som uppstår när de yttersta ledningarna kopplas vid samma temperatur.

Ur klassisk elektronteoris synvinkel förklaras de ovanliga resultaten av Voltas experiment ganska enkelt. Om vi ​​tar potentialen utanför metallen som noll, då inne i metallen med potential? Elektronens I-energi i förhållande till vakuumet kommer att vara lika med:

Genom att bringa två olika metaller med arbetsfunktionerna A1 och A2 i kontakt, kommer vi att observera en överdriven övergång av elektroner från den andra metallen, med en lägre arbetsfunktion, till den första metallen, vars arbetsfunktion är större.

Som ett resultat av denna övergång kommer koncentrationen (n1) av elektroner i den första metallen att öka jämfört med koncentrationen av elektroner i den andra metallen (n2), vilket kommer att generera ett omvänt överskott av ett diffust flöde av elektrongaser riktat mot flöde orsakat av skillnaden i arbetsfunktioner.

I ett jämviktstillstånd vid gränsen mellan två metaller kommer följande potentialskillnad att fastställas:

Värdet på den stationära potentialskillnaden kan bestämmas enligt följande:

Detta fenomen, där en kontaktpotentialskillnad uppstår, som uppenbarligen beror på temperaturen, kallas termoelektrisk effekt eller Seebeck-effekt… Seebeck-effekten ligger till grund för driften av termoelement och termoelektriska generatorer.

Ett termoelement består av två kopplingar av två olika metaller.Om en av korsningarna hålls vid en högre temperatur än den andra, då a termoEMF:

Termoelement används för att mäta temperatur, och batterier som härrör från olika termoelement kan användas som EMF-källor och till och med termoelektriska generatorer.

I en termoelektrisk generator, när förbindelsen mellan två olika metaller värms upp, mellan de fria ledarna som ligger vid en lägre temperatur, uppstår en termoelektrisk potentialskillnad eller termoEMF. Och om du stänger en sådan krets till ett motstånd, kommer en ström att flyta in kretsen, det vill säga det kommer att ske en direkt omvandling av termisk energi till elektrisk energi.

Seebeck-koefficienten, som Volta sa, beror på vilken typ av metaller som är involverade i detta termoelement. TermoEMF-värden för olika termoelement mäts i mikrovolt per grad.

Om du tar en ringtråd som består av två olika metaller A och B som är förenade på två ställen och värmer upp en av korsningarna till temperaturen T1 så att temperaturen T1 är högre än T2 (temperaturen för den andra korsningen), så i den varma kontakt strömmen kommer att riktas från metall B till metall A, och i kylan - från metall A till metall B. Det termoelektromagnetiska fältet av metall A i detta fall anses vara positivt med avseende på metall B.

Alla kända metaller har sina egna värden på termoEMF-koefficienter, de kan ordnas i följd i en kolumn så att varje metall visar en positiv termoEMF i förhållande till följande.

Till exempel, här är en lista över termoEMF (uttryckt i millivolt) som kommer att resultera när de angivna metallerna kombineras med platina med en kontakttemperaturskillnad på 100 grader:

Med hjälp av de givna uppgifterna är det möjligt att avgöra vilken typ av termoEMF som kommer att visa sig om till exempel koppar och aluminium ansluts och temperaturskillnaden på kontakten hålls på 100 grader. Det räcker att subtrahera det mindre termoEMF-värdet från det större. Så ett koppar-aluminiumpar med en temperaturskillnad på 100 grader ger en termoEMF lika med 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektriska generatorer baserade på rena metaller är inte effektiva (deras effektivitet är cirka 1%), så de används inte i stor utsträckning. Värt att notera är dock termoelektriska halvledaromvandlare, som visar en verkningsgrad på upp till 7%.

De är baserade på högdopade halvledare, fasta lösningar baserade på kalkogenider i grupp V. För att hålla den "heta" sidan vid en konstant temperatur är solljus eller värmen från en förvärmd ugn lämpliga.

Sådana enheter kan användas som alternativa energikällor på avlägsna platser: fyrar, väderstationer, rymdfarkoster, navigationsbojar, aktiva repeatrar, stationer för korrosionsskydd av olje- och gasledningar.

De främsta fördelarna med termoelektriska generatorer är frånvaron av rörliga delar, tyst drift, relativt liten storlek och enkel justering. Deras största nackdel — extremt låg effektivitet i området 6 %, neutraliserar dessa fördelar.