A termoelektromos Seebeck-effektus: mi ez? Hogyan működnek és működnek a hőelemek és a termoelektromos generátorok

Ha két különböző fémből készült rudat szorosan egymáshoz nyomunk, akkor érintkezésükkor kettős elektromos réteg és ennek megfelelő potenciálkülönbség képződik.

Ez a jelenség az elektronok fémtől való munkafüggvényének különbségéből adódik, amely mindkét érintkező fémre jellemző. A fémből származó elektronok munkafunkciója (vagy egyszerűen a munkafüggvény) az a munka, amelyet arra kell fordítani, hogy egy elektront a fém felületéről a környező vákuumba mozgassanak.

A gyakorlatban minél nagyobb a munkafüggvény, annál kisebb a valószínűsége annak, hogy az elektronok átjutnak a határfelületen. Ennek eredményeként kiderül, hogy az érintkező azon oldalán, ahol a magasabb (!) munkafunkciójú fém található, negatív töltés halmozódik fel, a kisebb munkafunkciójú fém oldalán pedig pozitív töltés.

Alessandro Volta olasz fizikus megfigyelte és leírta ezt a jelenséget. Tapasztalataiból két olyan törvényt vont le, amelyek ma ismertek Volta törvényei.

Volta első törvénye így hangzik: két különböző fém érintkezésekor potenciálkülönbség keletkezik, ami a csomópontok kémiai természetétől és hőmérsékletétől függ.

Volta második törvénye: a sorosan kapcsolt vezetékek végén a potenciálkülönbség nem függ a közbenső vezetékektől, és egyenlő azzal a potenciálkülönbséggel, amely akkor keletkezik, ha a legkülső vezetékek azonos hőmérsékleten vannak csatlakoztatva.

A klasszikus elektronelmélet szempontjából Volta kísérletének szokatlan eredményeit egészen egyszerűen magyarázzák. Ha a fémen kívüli potenciált nullának vesszük, akkor a potenciállal rendelkező fém belsejében? Az elektron I energiája a vákuumhoz viszonyítva egyenlő lesz:

Ha két különböző, A1 és A2 munkafunkciójú fémet érintkezésbe hozunk, az elektronok túlzott átmenetét figyeljük meg a második, alacsonyabb munkafunkciójú fémből az első fémbe, amelynek nagyobb a munkafunkciója.

Ennek az átmenetnek az eredményeképpen az elektronok koncentrációja (n1) az első fémben megnő a második fémben (n2) lévő elektronok koncentrációjához képest, ami az elektrongázok diffúz áramlásának fordított feleslegét generálja, amely a fém ellen irányul. a működési funkciók különbsége által okozott áramlás.

Egyensúlyi állapotban két fém határán a következő potenciálkülönbség jön létre:

A stacionárius potenciálkülönbség értéke a következőképpen határozható meg:

Ezt a jelenséget, amelyben kontaktpotenciálkülönbség lép fel, ami nyilvánvalóan a hőmérséklettől függ, nevezzük termoelektromos hatás vagy Seebeck-effektus… A Seebeck-effektus a hőelemek és a termoelektromos generátorok működésének hátterében áll.

A hőelem két különböző fém két csomópontjából áll.Ha az egyik csomópontot magasabb hőmérsékleten tartjuk, mint a másikat, akkor a thermoEMF:

Hőelemeket használnak a hőmérséklet mérésére, a különféle hőelemekből származó elemek pedig EMF-forrásként, sőt termoelektromos generátorként is használhatók.

Egy termoelektromos generátorban két különböző fém találkozási pontjának felmelegítésekor az alacsonyabb hőmérsékleten elhelyezkedő szabad vezetők között termoelektromos potenciálkülönbség vagy termoEMF keletkezik.És ha egy ilyen áramkört lezárunk egy ellenállásra, akkor áram fog befolyni. az áramkör, vagyis a hőenergia közvetlen átalakulása elektromos energiává történik.

A Seebeck-együttható, ahogy Volta mondta, a hőelemben szereplő fémek természetétől függ. A különböző hőelemek ThermoEMF értékeit mikrovolt/fok egységben mérik.

Ha veszünk egy gyűrűs huzalt, amely két különböző, két helyen összekapcsolt A és B fémből áll, és az egyik csomópontot T1 hőmérsékletre melegítjük úgy, hogy a T1 hőmérséklet magasabb legyen, mint T2 (a második csomópont hőmérséklete), akkor a forró érintkezéskor az áram B fémről A fémre, hidegben pedig A fémről B fémre irányul. Az A fém termoelektromágneses mezője ebben az esetben pozitívnak tekinthető a B fémhez képest.

Minden ismert fémnek megvan a maga termoEMF-együttható értéke, ezeket egymás után egy oszlopba lehet rendezni úgy, hogy minden fém pozitív termoEMF-et mutasson a következőkhöz képest.

Például itt van egy lista a thermoEMF-ről (millivoltban kifejezve), amely akkor keletkezik, ha a megadott fémeket platinával kombinálják 100 fokos érintkezési hőmérséklet-különbséggel:

A megadott adatok segítségével meghatározható, hogy milyen termoEMF lesz, ha például réz és alumínium összekapcsolódik, és az érintkező hőmérsékletkülönbségét 100 fokon tartják. Elegendő a kisebb thermoEMF értéket kivonni a nagyobbból. Tehát egy réz-alumínium pár 100 fokos hőmérséklet-különbséggel 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV) termoEMF-et ad.

A tiszta fémeken alapuló termoelektromos generátorok nem hatékonyak (hatékonyságuk kb. 1%), ezért nem használják széles körben. Érdemes azonban megjegyezni a félvezető termoelektromos átalakítókat, amelyek akár 7%-os hatásfokot is mutatnak.

Erősen adalékolt félvezetőkre, V. csoportú kalkogenidekre épülő szilárd oldatokra épülnek.A "forró" oldal állandó hőmérsékleten tartásához a napfény vagy az előmelegített sütő hője megfelelő.

Az ilyen eszközök alternatív energiaforrásként alkalmazhatók távoli helyeken: világítótornyok, időjárási állomások, űrhajók, navigációs bóják, aktív átjátszók, olaj- és gázvezetékek korrózióvédelmi állomásai.

A termoelektromos generátorok fő előnyei a mozgó alkatrészek hiánya, a csendes működés, a viszonylag kis méret és a könnyű beállítás. Fő hátrányuk – rendkívül alacsony, 6% körüli hatékonyság – semlegesíti ezeket az előnyöket.