Termosähköinen Seebeck-ilmiö: mikä se on? Kuinka termoparit ja lämpösähköiset generaattorit toimivat ja toimivat

Jos kaksi eri metalleista valmistettua sauvaa puristetaan tiukasti yhteen, muodostuu kaksinkertainen sähkökerros ja vastaava potentiaaliero niiden kosketuksessa.

Tämä ilmiö johtuu elektronien työfunktion arvojen erosta metallista, joka on ominaista kummallekin kahdelle kosketuksessa olevalle metallille. Metallista tulevien elektronien työfunktio (tai yksinkertaisesti työfunktio) on työtä, joka täytyy käyttää elektronin siirtämiseksi metallin pinnalta ympäröivään tyhjiöön.

Käytännössä mitä suurempi työfunktio, sitä pienempi on todennäköisyys, että elektronit voivat ylittää rajapinnan. Tuloksena käy ilmi, että negatiivinen varaus kerääntyy koskettimen puolelle, jossa korkeamman (!) työfunktion metalli sijaitsee, ja positiivinen varaus kertyy metallin puolelle, jolla on pienempi työtoiminto.

Italialainen fyysikko Alessandro Volta havaitsi tämän ilmiön ja kuvasi sitä. Kokemuksesta hän päätteli kaksi lakia, jotka tunnetaan nykyään nimellä Voltan lait.

Voltan ensimmäinen laki kuulostaa tältä: kahden eri metallin kosketuksessa syntyy potentiaaliero, joka riippuu liitoskohtien kemiallisesta luonteesta ja lämpötilasta.

Voltan toinen laki: potentiaaliero sarjaan kytkettyjen johtimien päissä ei riipu välijohtimista ja on yhtä suuri kuin potentiaaliero, joka syntyy, kun uloimmat johdot kytketään samassa lämpötilassa.

Klassisen elektroniteorian näkökulmasta Voltan kokeen epätavalliset tulokset selitetään yksinkertaisesti. Jos otetaan metallin ulkopuolella oleva potentiaali nollaksi, niin potentiaalisen metallin sisällä? Elektronin I-energia suhteessa tyhjiöön on yhtä suuri kuin:

Tuomalla kaksi eri metallia, joilla on työfunktiot A1 ja A2, havaitsemme liiallisen elektronien siirtymän toisesta metallista, jolla on pienempi työfunktio, ensimmäiseen metalliin, jonka työfunktio on suurempi.

Tämän siirtymän seurauksena elektronien pitoisuus (n1) ensimmäisessä metallissa kasvaa verrattuna toisen metallin (n2) elektronien pitoisuuteen, mikä synnyttää käänteisen ylimäärän elektronikaasujen diffuusista virtausta, joka on suunnattu vastaan. työtoimintojen erosta johtuva virtaus.

Tasapainotilassa kahden metallin rajalla muodostuu seuraava potentiaaliero:

Stationaarisen potentiaalieron arvo voidaan määrittää seuraavasti:

Tätä ilmiötä, jossa tapahtuu kosketuspotentiaaliero, joka luonnollisesti riippuu lämpötilasta, kutsutaan nimellä lämpösähköinen efekti tai Seebeck-ilmiö… Seebeck-ilmiö on lämpöparien ja lämpösähköisten generaattoreiden toiminnan taustalla.

Termopari koostuu kahdesta kahden eri metallin liitoskohdasta.Jos toinen liitos pidetään korkeammassa lämpötilassa kuin toinen, niin a thermoEMF:

Lämpöpareja käytetään lämpötilan mittaamiseen, ja erilaisista termopareista saatuja akkuja voidaan käyttää EMF-lähteinä ja jopa lämpösähkögeneraattoreina.

Termosähköisessä generaattorissa, kun kahden eri metallin liitoskohtaa kuumennetaan, syntyy alemmassa lämpötilassa olevien vapaiden johtimien väliin termosähköinen potentiaaliero eli termoEMF. Ja jos suljet sellaisen piirin vastukselle, niin virta kulkee sisään piiri, eli lämpöenergia muutetaan suoraan sähköenergiaksi.

Seebeckin kerroin, kuten Volta sanoi, riippuu tähän termopariin liittyvien metallien luonteesta. Eri termoparien ThermoEMF-arvot mitataan mikrovoltteina astetta kohden.

Jos otat rengaslangan, joka koostuu kahdesta eri metallista A ja B, jotka on liitetty yhteen kahdessa kohdassa, ja lämmität yhden liitoskohdan lämpötilaan T1 niin, että lämpötila T1 on korkeampi kuin T2 (toisen liitoksen lämpötila), niin kuumassa kosketusvirta suunnataan metallista B metalliin A ja kylmässä metallista A metalliin B. Metallin A termosähkömagneettista kenttää tässä tapauksessa pidetään positiivisena metalliin B nähden.

Kaikilla tunnetuilla metalleilla on omat lämpö-EMF-kertoimien arvot, ne voidaan järjestää peräkkäin sarakkeeseen siten, että jokainen metalli osoittaa positiivista lämpö-EMF-arvoa suhteessa seuraaviin.

Esimerkiksi tässä on luettelo lämpö-EMF:stä (ilmaistuna millivolteina), joka syntyy, kun määritellyt metallit yhdistetään platinaan kontaktilämpötilan erolla 100 astetta:

Annettujen tietojen avulla voidaan määrittää, millainen lämpö-EMF muodostuu, jos esimerkiksi kuparia ja alumiinia liitetään ja koskettimen lämpötilaero pidetään 100 asteessa. Riittää, kun vähennät pienemmän thermoEMF-arvon suuremmasta. Joten kupari-alumiinipari, jonka lämpötilaero on 100 astetta, antaa lämpö-EMF:n, joka on 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Puhtaisiin metalleihin perustuvat lämpösähköiset generaattorit eivät ole tehokkaita (hyötysuhde on noin 1 %), joten niitä ei käytetä laajasti. Huomionarvoista on kuitenkin puolijohdetermosähköiset muuntimet, joiden hyötysuhde on jopa 7 %.

Ne perustuvat voimakkaasti seostettuihin puolijohteisiin, kiinteisiin liuoksiin, jotka perustuvat ryhmän V kalkogenideihin. "Kuumapuolen" pitämiseksi vakiolämpötilassa sopivat auringonvalo tai esilämmitetyn uunin lämpö.

Tällaisia ​​laitteita voidaan käyttää vaihtoehtoisina energialähteinä syrjäisillä paikoilla: majakat, sääasemat, avaruusalukset, navigointipoijut, aktiiviset toistimet, öljy- ja kaasuputkien korroosiosuojausasemat.

Lämpösähköisten generaattoreiden tärkeimmät edut ovat liikkuvien osien puuttuminen, hiljainen toiminta, suhteellisen pieni koko ja helppo säätö. Niiden tärkein haittapuoli - erittäin alhainen hyötysuhde, noin 6%, neutraloi nämä edut.