Termoelektrinis Seebeck efektas: kas tai? Kaip veikia ir veikia termoporos ir termoelektriniai generatoriai

Jei du strypai, pagaminti iš skirtingų metalų, yra sandariai suspausti, tada jiems susilietus susidarys dvigubas elektrinis sluoksnis ir atitinkamas potencialų skirtumas.

Šis reiškinys atsiranda dėl elektronų darbo funkcijos verčių skirtumo nuo metalo, būdingo kiekvienam iš dviejų besiliečiančių metalų. Elektronų iš metalo darbo funkcija (arba tiesiog darbo funkcija) yra darbas, kurį reikia atlikti norint perkelti elektroną iš metalo paviršiaus į aplinkinį vakuumą.

Praktiškai kuo didesnė darbo funkcija, tuo mažesnė tikimybė, kad elektronai gali kirsti sąsają. Dėl to išeina, kad neigiamas krūvis kaupiasi toje kontakto pusėje, kur yra aukštesnę (!) darbinę funkciją turintis metalas, o žemesnę darbinę funkciją turinčioje metalo pusėje kaupiasi teigiamas krūvis.

Italų fizikas Alessandro Volta pastebėjo šį reiškinį ir jį aprašė. Iš patirties jis išvedė du įstatymus, šiandien žinomus kaip Voltos dėsniai.

Pirmasis Voltos dėsnis skamba taip: dviejų skirtingų metalų sąlytyje atsiranda potencialų skirtumas, kuris priklauso nuo jungčių cheminės prigimties ir temperatūros.

Antrasis Voltos dėsnis: potencialų skirtumas nuosekliai sujungtų laidų galuose nepriklauso nuo tarpinių laidų ir yra lygus potencialų skirtumui, kuris susidaro sujungus tolimiausius laidus esant tokiai pačiai temperatūrai.

Klasikinės elektronų teorijos požiūriu neįprasti Voltos eksperimento rezultatai paaiškinami gana paprastai. Jei potencialą už metalo laikysime nuliu, tai metalo viduje su potencialu? Elektrono I energija vakuumo atžvilgiu bus lygi:

Sujungus du skirtingus metalus su darbinėmis funkcijomis A1 ir A2, stebėsime pernelyg didelį elektronų perėjimą iš antrojo metalo, turinčio mažesnę darbinę funkciją, į pirmąjį metalą, kurio darbinė funkcija yra didesnė.

Dėl šio perėjimo elektronų koncentracija (n1) pirmame metale padidės, palyginti su elektronų koncentracija antrajame metale (n2), o tai sukels atvirkštinį difuzinio elektronų dujų srauto, nukreipto prieš metalą, perteklių. srautas, kurį sukelia darbo funkcijų skirtumas.

Pusiausvyros būsenoje ties dviejų metalų riba bus nustatytas toks potencialų skirtumas:

Stacionaraus potencialo skirtumo vertė gali būti nustatyta taip:

Šis reiškinys, kai atsiranda kontaktinio potencialo skirtumas, kuris akivaizdžiai priklauso nuo temperatūros, vadinamas termoelektrinis efektas arba Seebeck efektas… Seebecko efektas yra termoporų ir termoelektrinių generatorių veikimo pagrindas.

Termopora susideda iš dviejų dviejų skirtingų metalų jungčių.Jei vienoje iš sandūrų palaikoma aukštesnė temperatūra nei kitoje, tada a termoEMF:

Temperatūrai matuoti naudojamos termoporos, o iš įvairių termoporų gautos baterijos gali būti naudojamos kaip EML šaltiniai ir netgi termoelektriniai generatoriai.

Termoelektriniame generatoriuje kaitinant dviejų skirtingų metalų sandūrą, tarp laisvųjų laidininkų, esančių žemesnėje temperatūroje, susidaro termoelektrinio potencialo skirtumas arba termoEMF.O jeigu tokią grandinę uždarysite į varžą, tada tekės srovė. grandinė, tai yra, šiluminė energija bus tiesiogiai paverčiama elektros energija.

Seebecko koeficientas, kaip sakė Volta, priklauso nuo šioje termoporoje esančių metalų pobūdžio. Įvairių termoporų ThermoEMF vertės matuojamos mikrovoltais vienam laipsniui.

Jei paimsite žiedinę vielą, sudarytą iš dviejų skirtingų metalų A ir B, sujungtų dviejose vietose, ir vieną iš sandūrų įkaitinkite iki temperatūros T1, kad temperatūra T1 būtų aukštesnė už T2 (antrosios sandūros temperatūra), tada kontakto srovė bus nukreipta nuo metalo B į metalą A, o šaltyje - nuo metalo A į metalą B. Metalo A termoelektromagnetinis laukas šiuo atveju laikomas teigiamu metalo B atžvilgiu.

Visi žinomi metalai turi savo termoEMF koeficientų vertes, jie gali būti išdėstyti iš eilės stulpelyje taip, kad kiekvienas metalas rodytų teigiamą termoEMF, palyginti su toliau nurodytais.

Pavyzdžiui, čia pateikiamas termoEMF (išreikštas milivoltais), kuris atsiras, kai nurodyti metalai sujungiami su platina, kai kontaktinės temperatūros skirtumas yra 100 laipsnių, sąrašas:

Pateiktų duomenų pagalba galima nustatyti, koks bus termoEMF, jei, pavyzdžiui, bus sujungtas varis ir aliuminis, o kontakto temperatūrų skirtumas bus palaikomas 100 laipsnių. Pakanka atimti mažesnę termoEMF reikšmę iš didesnės. Taigi, vario ir aliuminio pora, kurios temperatūrų skirtumas yra 100 laipsnių, suteiks termoEMF lygų 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Grynųjų metalų pagrindu pagaminti termoelektriniai generatoriai nėra efektyvūs (jų naudingumo koeficientas apie 1 proc.), todėl nėra plačiai naudojami. Tačiau verta atkreipti dėmesį į puslaidininkinius termoelektrinius keitiklius, kurių efektyvumas siekia iki 7%.

Jų pagrindą sudaro labai legiruoti puslaidininkiai, kietieji tirpalai V grupės chalkogenidų pagrindu.Kad „karštoje“ pusėje būtų pastovi temperatūra, tinka saulės šviesa arba įkaitintos orkaitės karštis.

Tokie įrenginiai naudojami kaip alternatyvūs energijos šaltiniai atokiose vietose: švyturiuose, meteorologinėse stotyse, erdvėlaiviuose, navigacijos plūduruose, aktyviuose kartotuvuose, naftotiekių ir dujotiekių antikorozinės apsaugos stotyse.

Pagrindiniai termoelektrinių generatorių privalumai yra judančių dalių nebuvimas, tylus veikimas, santykinai mažas dydis ir lengvas reguliavimas. Pagrindinis jų trūkumas – itin mažas efektyvumas apie 6%, neutralizuoja šiuos pranašumus.