Termoelektriline Seebecki efekt: mis see on? Kuidas termopaarid ja termoelektrilised generaatorid töötavad ja töötavad

Kui kaks erinevatest metallidest valmistatud varda suruda tihedalt kokku, tekib nende kokkupuutel kahekordne elektrikiht ja vastav potentsiaalide erinevus.

See nähtus on tingitud metallist elektronide tööfunktsiooni väärtuste erinevusest, mis on iseloomulik mõlemale kontaktis olevale metallile. Metallist pärinevate elektronide tööfunktsioon (või lihtsalt tööfunktsioon) on töö, mis tuleb kulutada elektroni viimiseks metalli pinnalt ümbritsevasse vaakumisse.

Praktikas on nii, et mida suurem on tööfunktsioon, seda väiksem on tõenäosus, et elektronid võivad liidest läbida. Selle tulemusena selgub, et negatiivne laeng koguneb kontakti küljele, kus asub kõrgema (!) tööfunktsiooniga metall ja positiivne laeng madalama tööfunktsiooniga metalli poolele.

Itaalia füüsik Alessandro Volta jälgis seda nähtust ja kirjeldas seda. Kogemuste põhjal järeldas ta kaks seadust, mida tänapäeval tuntakse kui Volta seadused.

Volta esimene seadus kõlab nii: kahe erineva metalli kokkupuutel tekib potentsiaalide erinevus, mis sõltub ühenduskohtade keemilisest olemusest ja temperatuurist.

Volta teine ​​seadus: potentsiaalide erinevus järjestikku ühendatud juhtmete otstes ei sõltu vahejuhtmetest ja on võrdne potentsiaalide erinevusega, mis tekib siis, kui äärmised juhtmed on ühendatud sama temperatuuriga.

Klassikalise elektroniteooria seisukohast on Volta katse ebatavalised tulemused seletatavad üsna lihtsalt. Kui võtta potentsiaal väljaspool metalli nulliks, siis potentsiaaliga metalli sees? Elektroni I energia vaakumi suhtes on võrdne:

Kahe erineva tööfunktsiooniga A1 ja A2 metalli kokkupuutumisel jälgime elektronide liigset üleminekut teisest, madalama tööfunktsiooniga metallist esimesse metalli, mille tööfunktsioon on suurem.

Selle ülemineku tulemusena suureneb elektronide kontsentratsioon (n1) esimeses metallis võrreldes elektronide kontsentratsiooniga teises metallis (n2), mis tekitab vastupidise üleliigse elektrongaaside hajutatud voo, mis on suunatud vastu elektrongaasi. tööfunktsioonide erinevusest põhjustatud vool.

Tasakaaluseisundis kahe metalli piiril tuvastatakse järgmine potentsiaalide erinevus:

Statsionaarse potentsiaali erinevuse väärtuse saab määrata järgmiselt:

Seda nähtust, mille puhul tekib kontaktpotentsiaalide erinevus, mis ilmselgelt sõltub temperatuurist, nimetatakse termoelektriline efekt või Seebecki efekt… Seebecki efekt on termopaaride ja termoelektriliste generaatorite töö aluseks.

Termopaar koosneb kahest erinevast metallist koosnevast ühenduskohast.Kui ühte ristmikku hoitakse teisest kõrgemal temperatuuril, siis a termoEMF:

Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse termopaare ning erinevatest termopaaridest saadud patareisid saab kasutada EMF-i allikatena ja isegi termoelektriliste generaatoritena.

Termoelektrilises generaatoris tekib kahe erineva metalli liitekoha kuumutamisel madalamal temperatuuril paiknevate vabade juhtide vahel termoelektrilise potentsiaali erinevus ehk termoEMF.Ja kui selline vooluring takistusele sulgeda, siis läheb sisse vool. ahel, see tähendab, et soojusenergia muundatakse otse elektrienergiaks.

Seebecki koefitsient, nagu Volta ütles, sõltub selles termopaaris osalevate metallide olemusest. Erinevate termopaaride ThermoEMF väärtusi mõõdetakse mikrovoltides kraadi kohta.

Kui võtta rõngastraat, mis koosneb kahest erinevast metallist A ja B, mis on ühendatud kahes kohas, ja soojendada ühte ühenduskohta temperatuurini T1 nii, et temperatuur T1 on kõrgem kui T2 (teise ristmiku temperatuur), siis kuumas kontaktiga suunatakse vool metallist B metallist A ja külmas metallist A metallist B. Metalli A termoelektromagnetvälja loetakse sel juhul metalli B suhtes positiivseks.

Kõigil teadaolevatel metallidel on oma termoEMF-i koefitsientide väärtused, neid saab paigutada järjestikku veergu nii, et iga metall näitab positiivset termoEMF-i järgmise suhtes.

Näiteks siin on loetelu termoEMF-ist (väljendatud millivoltides), mis tekib siis, kui määratud metallid kombineeritakse plaatinaga kontakttemperatuuri erinevusega 100 kraadi:

Antud andmete abil on võimalik kindlaks teha, milline termoEMF tekib, kui ühendada näiteks vask ja alumiinium ning hoida kontakti temperatuuride vahe 100 kraadi juures. Piisab, kui lahutada väiksem termoEMF väärtus suuremast. Niisiis annab 100 kraadise temperatuuri erinevusega vask-alumiinium paar termoEMF-i, mis on võrdne 0,74–0,38 = 0,36 (mV).

Puhastel metallidel põhinevad termoelektrilised generaatorid ei ole efektiivsed (nende kasutegur on umbes 1%), mistõttu neid laialdaselt ei kasutata. Tähelepanu väärivad aga pooljuhttermoelektrilised muundurid, mille efektiivsus on kuni 7%.

Need põhinevad tugevalt legeeritud pooljuhtidel, tahked lahused, mis põhinevad kalkogeniidide rühmal V. "Kuuma" poole püsiva temperatuuri hoidmiseks sobib päikesevalgus või eelsoojendatud ahju kuumus.

Sellised seadmed on kasutatavad alternatiivsete energiaallikatena kaugemates kohtades: tuletornid, ilmajaamad, kosmoselaevad, navigatsioonipoid, aktiivsed repiiterid, nafta- ja gaasijuhtmete korrosioonivastase kaitse jaamad.

Termoelektriliste generaatorite peamised eelised on liikuvate osade puudumine, vaikne töö, suhteliselt väike suurus ja reguleerimise lihtsus. Nende peamine puudus - äärmiselt madal efektiivsus umbes 6%, neutraliseerib need eelised.