Den termoelektriske Seebeck-effekt: hvad er det? Hvordan termoelementer og termoelektriske generatorer fungerer og fungerer

Hvis to stænger lavet af forskellige metaller presses tæt sammen, vil der dannes et dobbelt elektrisk lag og en tilsvarende potentialforskel ved deres kontakt.

Dette fænomen skyldes forskellen i værdierne af arbejdsfunktionen af ​​elektronerne fra metallet, karakteristisk for hver af de to kontaktmetaller. Arbejdsfunktionen af ​​elektronerne fra metallet (eller blot arbejdsfunktionen) er det arbejde, der skal bruges på at flytte en elektron fra overfladen af ​​metallet ind i det omgivende vakuum.

I praksis gælder det, at jo større arbejdsfunktionen er, jo mindre er sandsynligheden for, at elektroner kan krydse grænsefladen. Som et resultat viser det sig, at en negativ ladning akkumuleres på siden af ​​kontakten, hvor metallet med en højere (!) arbejdsfunktion er placeret, og en positiv ladning akkumuleres på siden af ​​metallet med en lavere arbejdsfunktion.

Den italienske fysiker Alessandro Volta observerede dette fænomen og beskrev det. Af erfaring udledte han to love kendt i dag som Voltas love.

Voltas første lov lyder således: Ved kontakt mellem to forskellige metaller opstår der en potentialforskel, som afhænger af den kemiske natur og overgangenes temperatur.

Voltas anden lov: potentialforskellen i enderne af serieforbundne ledninger afhænger ikke af de mellemliggende ledninger og er lig med den potentialforskel, der opstår, når de yderste ledninger forbindes ved samme temperatur.

Fra den klassiske elektronteoris synspunkt forklares de usædvanlige resultater af Voltas eksperiment ganske enkelt. Hvis vi tager potentialet uden for metallet som nul, så inde i metallet med et potentiale? I-energien af ​​elektronen i forhold til vakuumet vil være lig med:

Ved at bringe to forskellige metaller med arbejdsfunktionerne A1 og A2 i kontakt, vil vi observere en overdreven overgang af elektroner fra det andet metal, med en lavere arbejdsfunktion, til det første metal, hvis arbejdsfunktion er større.

Som et resultat af denne overgang vil koncentrationen (n1) af elektroner i det første metal stige sammenlignet med koncentrationen af ​​elektroner i det andet metal (n2), hvilket vil generere et omvendt overskud af en diffus strøm af elektrongasser rettet mod flow forårsaget af forskellen i arbejdsfunktioner.

I en ligevægtstilstand ved grænsen mellem to metaller vil følgende potentialforskel blive etableret:

Værdien af ​​den stationære potentialforskel kan bestemmes som følger:

Dette fænomen, hvor der opstår en kontaktpotentialforskel, som naturligvis afhænger af temperaturen, kaldes termoelektrisk effekt eller Seebeck effekt… Seebeck-effekten ligger til grund for driften af ​​termoelementer og termoelektriske generatorer.

Et termoelement består af to junctions af to forskellige metaller.Hvis et af krydsene holdes ved en højere temperatur end det andet, så a termoEMF:

Termoelementer bruges til at måle temperatur, og batterier afledt af forskellige termoelementer kan bruges som EMF-kilder og endda termoelektriske generatorer.

I en termoelektrisk generator, når krydset mellem to forskellige metaller opvarmes, mellem de frie ledere placeret ved en lavere temperatur, opstår der en termoelektrisk potentialforskel eller termoEMF. Og hvis man lukker et sådant kredsløb til en modstand, så vil der strømme en strøm ind kredsløbet, det vil sige, at der vil ske en direkte omdannelse af termisk energi til elektrisk energi.

Seebeck-koefficienten, som Volta sagde, afhænger af arten af ​​de metaller, der er involveret i dette termoelement. TermoEMF-værdier for forskellige termoelementer måles i mikrovolt pr. grad.

Hvis du tager en ringtråd sammensat af to forskellige metaller A og B, der er forbundet to steder og opvarmer et af krydsene til temperaturen T1, så temperaturen T1 er højere end T2 (temperaturen i det andet kryds), ​​så i den varme kontakt vil strømmen blive rettet fra metal B til metal A, og i kulden - fra metal A til metal B. Det termoelektromagnetiske felt af metal A i dette tilfælde betragtes som positivt med hensyn til metal B.

Alle kendte metaller har deres egne værdier af termoEMF-koefficienter, de kan arrangeres fortløbende i en kolonne, så hvert metal viser en positiv termoEMF i forhold til følgende.

For eksempel er her en liste over termoEMF (udtrykt i millivolt), der vil resultere, når de angivne metaller kombineres med platin med en kontakttemperaturforskel på 100 grader:

Ved hjælp af de givne data er det muligt at bestemme, hvilken slags termoEMF der vil vise sig, hvis for eksempel kobber og aluminium er forbundet, og kontaktens temperaturforskel holdes på 100 grader. Det er nok at trække den mindre termoEMF-værdi fra den større. Så et kobber-aluminium-par med en temperaturforskel på 100 grader vil give en termoEMF svarende til 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektriske generatorer baseret på rene metaller er ikke effektive (deres effektivitet er ca. 1%), så de er ikke meget udbredte. Det er dog værd at bemærke, halvleder termoelektriske omformere, som viser en effektivitet på op til 7%.

De er baseret på stærkt dopede halvledere, faste opløsninger baseret på chalcogenider i gruppe V. For at holde den "varme" side ved en konstant temperatur er sollys eller varmen fra en forvarmet ovn velegnet.

Sådanne enheder er anvendelige som alternative energikilder på fjerntliggende steder: fyrtårne, vejrstationer, rumfartøjer, navigationsbøjer, aktive repeatere, stationer til korrosionsbeskyttelse af olie- og gasrørledninger.

De vigtigste fordele ved termoelektriske generatorer er fraværet af bevægelige dele, stille drift, relativt lille størrelse og nem justering. Deres største ulempe - ekstremt lav effektivitet i området 6%, neutraliserer disse fordele.