Termoelektrični Seebeckov učinek: kaj je to? Kako delujejo in delujejo termočleni in termoelektrični generatorji

Če sta palici iz različnih kovin tesno stisnjeni skupaj, se ob njunem stiku tvori dvojna električna plast in temu primerna potencialna razlika.

Ta pojav je posledica razlike v vrednostih delovne funkcije elektronov iz kovine, značilne za vsako od obeh kovin v stiku. Delovna funkcija elektronov iz kovine (ali preprosto delovna funkcija) je delo, ki ga je treba porabiti, da premaknemo elektron s površine kovine v okoliški vakuum.

V praksi velja, da večja kot je delovna funkcija, manjša je verjetnost, da lahko elektroni prečkajo vmesnik. Posledično se izkaže, da se na strani kontakta, kjer se nahaja kovina z višjo (!) delovno funkcijo, kopiči negativni naboj, na strani kovine z nižjo delovno funkcijo pa se kopiči pozitivni naboj.

Ta pojav je opazoval in opisal italijanski fizik Alessandro Volta. Iz izkušenj je izpeljal dva zakona, ki sta danes znana kot Voltovi zakoni.

Prvi Voltin zakon zveni takole: ob stiku dveh različnih kovin nastane potencialna razlika, ki je odvisna od kemijske narave in temperature stikov.

Voltin drugi zakon: potencialna razlika na koncih zaporedno vezanih vodnikov ni odvisna od vmesnih vodnikov in je enaka potencialni razliki, ki nastane, ko sta skrajna vodnika povezana pri isti temperaturi.

Z vidika klasične teorije elektronov so nenavadni rezultati Voltinega eksperimenta razloženi precej preprosto. Če vzamemo potencial zunaj kovine za nič, potem znotraj kovine s potencialom? Energija I elektrona glede na vakuum bo enaka:

Če pridemo v stik dveh različnih kovin z delovnim delom A1 in A2, bomo opazili čezmeren prehod elektronov iz druge kovine z nižjim delovnim delom v prvo kovino, katere delovno delo je večje.

Zaradi tega prehoda se bo koncentracija (n1) elektronov v prvi kovini povečala v primerjavi s koncentracijo elektronov v drugi kovini (n2), kar bo ustvarilo povratni presežek difuznega toka elektronskih plinov, usmerjenega proti tok, ki ga povzroča razlika v delovnih funkcijah.

V stanju ravnovesja na meji dveh kovin bo vzpostavljena naslednja potencialna razlika:

Vrednost stacionarne potencialne razlike je mogoče določiti na naslednji način:

Ta pojav, pri katerem pride do kontaktne potencialne razlike, ki je očitno odvisna od temperature, se imenuje termoelektrični učinek ali Seebeckov učinek… Seebeckov učinek je osnova za delovanje termočlenov in termoelektričnih generatorjev.

Termočlen je sestavljen iz dveh stičišč dveh različnih kovin.Če se eden od stičišč vzdržuje pri višji temperaturi kot drugi, potem a termoEMF:

Termočleni se uporabljajo za merjenje temperature, baterije, ki izhajajo iz različnih termočlenov, pa se lahko uporabljajo kot viri EMF in celo termoelektrični generatorji.

V termoelektričnem generatorju, ko se spoj dveh različnih kovin segreje, med prostimi vodniki, ki se nahajajo pri nižji temperaturi, pride do termoelektrične potencialne razlike ali termoEMF.In če zaprete takšno vezje na upor, bo tok stekel tokokroga, to pomeni, da bo prišlo do neposredne pretvorbe toplotne energije v električno energijo.

Kot je rekel Volta, je Seebeckov koeficient odvisen od narave kovin, vključenih v ta termočlen. Vrednosti ThermoEMF za različne termočlene se merijo v mikrovoltih na stopinjo.

Če vzamete obročasto žico, sestavljeno iz dveh različnih kovin A in B, spojenih na dveh mestih, in segrejete enega od stičišč na temperaturo T1, tako da je temperatura T1 višja od T2 (temperatura drugega spoja), potem v vročem kontakt bo tok usmerjen od kovine B do kovine A, v hladnem pa od kovine A do kovine B. Termoelektromagnetno polje kovine A v tem primeru velja za pozitivno glede na kovino B.

Vse znane kovine imajo svoje vrednosti koeficientov termoEMF, lahko jih zaporedno razvrstimo v stolpec, tako da vsaka kovina kaže pozitivno termoEMF glede na naslednje.

Tukaj je na primer seznam termoEMF (izražen v milivoltih), ki nastane, ko se navedene kovine združijo s platino z razliko kontaktne temperature 100 stopinj:

S pomočjo danih podatkov je mogoče ugotoviti, kakšen termoEMF se bo izkazal, če sta na primer baker in aluminij povezana in temperaturna razlika stika vzdržuje 100 stopinj. Dovolj je, da manjšo vrednost termoEMF odštejemo od večje. Torej, par baker-aluminij s temperaturno razliko 100 stopinj bo dal termoEMF, ki je enak 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektrični generatorji na osnovi čistih kovin niso učinkoviti (njihov izkoristek je približno 1%), zato niso široko uporabljeni. Omeniti pa velja polprevodniške termoelektrične pretvornike, ki kažejo učinkovitost do 7 %.

Temeljijo na visoko dopiranih polprevodnikih, trdnih raztopinah na osnovi halkogenidov skupine V. Za ohranjanje konstantne temperature »vroče« strani je primerna sončna svetloba ali toplota predhodno segrete pečice.

Takšne naprave se uporabljajo kot alternativni viri energije na oddaljenih lokacijah: svetilniki, vremenske postaje, vesoljska plovila, navigacijske boje, aktivni repetitorji, postaje za protikorozijsko zaščito naftovodov in plinovodov.

Glavne prednosti termoelektričnih generatorjev so odsotnost gibljivih delov, tiho delovanje, relativno majhna velikost in enostavnost prilagajanja. Njihova glavna pomanjkljivost - izjemno nizka učinkovitost v območju 6%, nevtralizira te prednosti.