Термоелектрическият ефект на Зеебек: какво е това? Как работят и работят термодвойките и термоелектрическите генератори

Ако две пръти, изработени от различни метали, са плътно притиснати една към друга, тогава при техния контакт ще се образува двоен електрически слой и съответна разлика в потенциала.

Това явление се дължи на разликата в стойностите на работната функция на електроните от метала, характерна за всеки от двата контактуващи метала. Работната функция на електроните от метала (или просто работната функция) е работата, която трябва да се изразходва за преместване на електрон от повърхността на метала в околния вакуум.

На практика, колкото по -голяма е работната функция, толкова по -малка е вероятността електроните да могат да пресичат интерфейса. В резултат на това се оказва, че отрицателен заряд се натрупва от страната на контакта, където се намира металът с по -висока (!) Работна функция, а положителен заряд се натрупва от страната на метала с по -ниска работна функция.

Италианският физик Алесандро Волта наблюдава това явление и го описва. От опит той извежда два закона, известни днес като Законите на Волта.

Първият закон на Волта звучи така: при контакта на два различни метала възниква потенциална разлика, която зависи от химичната природа и от температурата на кръстовищата.

Втори закон на Волта: потенциалната разлика в краищата на последователно свързани проводници не зависи от междинните проводници и е равна на потенциалната разлика, която възниква, когато най-външните проводници са свързани при една и съща температура.

От гледна точка на класическата електронна теория, необичайните резултати от експеримента на Волта се обясняват съвсем просто. Ако вземем потенциала извън метала като нула, тогава вътре в метала с потенциал? I енергията на електрона спрямо вакуума ще бъде равна на:

Привеждайки в контакт два различни метала с работни функции A1 и A2, ще наблюдаваме прекомерен преход на електрони от втория метал, с по -ниска работна функция, в първия метал, работната функция от която е по -голяма.

В резултат на този преход концентрацията (n1) на електроните в първия метал ще се увеличи в сравнение с концентрацията на електрони във втория метал (n2), което ще генерира обратен излишък на дифузен поток от електронни газове, насочен срещу потока причинени от разликата в работните функции.

В състояние на равновесие на границата на два метала ще се установи следната потенциална разлика:

Стойността на стационарната потенциална разлика може да бъде определена, както следва:

Това явление, при което възниква контактна потенциална разлика, която очевидно зависи от температурата, се нарича термоелектрически ефект или ефект на Зеебек… Ефектът на Зеебек е в основата на работата на термодвойките и термоелектрическите генератори.

Термодвойката се състои от две кръстовища от два различни метала. Ако едно от кръстовищата се поддържа при по -висока температура от другото, тогава a термоЕМП:

Термодвойките се използват за измерване на температурата, а батериите, извлечени от различни термодвойки, могат да се използват като източници на ЕМП и дори термоелектрически генератори.

В термоелектрически генератор, когато кръстовището на два различни метала се нагрява, между свободните проводници, разположени при по -ниска температура, възниква термоелектрическа потенциална разлика или термоЕМП.И ако затворите такава верига към съпротивление, тогава във веригата ще протече ток, тоест ще има директно преобразуване на топлинната енергия в електрическа.

Коефициентът на Зеебек, както каза Волта, зависи от естеството на металите, включени в тази термодвойка. Стойностите на термоЕМП за различни термодвойки се измерват в микроволта на градус.

Ако вземете пръстенообразен проводник, съставен от два различни метала A и B, свързани на две места, и загреете една от точките на свързване до температурата T1, така че температурата T1 да се окаже по-висока от T2 (температурата на втората връзка), тогава в горещия контакт токът ще бъде насочен от метал В към метал А, а в студения — от метал А към метал В. Термоелектромагнитното поле на метал А в този случай се счита за положително по отношение на метал Б.

Всички известни метали имат свои собствени стойности на коефициентите на термоЕМП, те могат да бъдат подредени последователно в колона, така че всеки метал да покаже положителен термоЕМП във връзка със следното.

Например, тук е списък на термоЕМП (изразено в миливолта), което ще се получи, когато посочените метали се комбинират заедно с платина с разлика в контактната температура 100 градуса:

С помощта на дадените данни е възможно да се определи какъв вид термоЕМП ще се окаже, ако например са свързани мед и алуминий и температурната разлика на контакта се поддържа на 100 градуса. Достатъчно е да извадите по -малката термоЕМП стойност от по -голямата. И така, двойка мед -алуминий с температурна разлика от 100 градуса ще даде термоЕМП, равна на 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

Термоелектрическите генератори на базата на чисти метали не са ефективни (ефективността им е около 1%), така че те не се използват широко. Заслужава да се отбележи обаче полупроводникови термоелектрически преобразуватели, които показват ефективност до 7%.

Те се основават на силно легирани полупроводници, твърди разтвори на базата на халкогениди от група V. За да поддържате «горещата» страна при постоянна температура, подходяща е слънчевата светлина или топлината на предварително загрята фурна.

Такива устройства са приложими като алтернативни източници на енергия в отдалечени обекти: фарове, метеорологични станции, космически кораби, навигационни шамандури, активни повторители, станции за антикорозионна защита на нефтопроводи и газопроводи.

Основните предимства на термоелектрическите генератори са липсата на движещи се части, тиха работа, относително малък размер и лекота на регулиране. Основният им недостатък — изключително ниската ефективност в района от 6%, неутрализира тези предимства.