Kesan Seebeck termoelektrik: apakah itu? Cara termokopel dan penjana termoelektrik berfungsi dan beroperasi

Jika dua batang yang diperbuat daripada logam yang berbeza dirapatkan dengan rapat, maka lapisan elektrik berganda dan beza keupayaan yang sepadan akan terbentuk apabila bersentuhan.

Fenomena ini disebabkan oleh perbezaan nilai fungsi kerja elektron daripada logam, ciri setiap dua logam yang bersentuhan. Fungsi kerja elektron daripada logam (atau ringkasnya fungsi kerja) ialah kerja yang mesti dibelanjakan untuk memindahkan elektron dari permukaan logam ke dalam vakum sekeliling.

Dalam amalan, semakin besar fungsi kerja, semakin rendah kebarangkalian elektron boleh menyeberangi antara muka. Akibatnya, ternyata cas negatif terkumpul di sisi kenalan, di mana logam dengan fungsi kerja yang lebih tinggi (!) terletak, dan cas positif terkumpul di sisi logam dengan fungsi kerja yang lebih rendah.

Ahli fizik Itali Alessandro Volta memerhati fenomena ini dan menerangkannya. Daripada pengalaman beliau menyimpulkan dua undang-undang yang dikenali hari ini sebagai Undang-undang Volta.

Undang-undang pertama Volta berbunyi seperti ini: pada sentuhan dua logam yang berbeza, perbezaan potensi timbul, yang bergantung pada sifat kimia dan suhu persimpangan.

Hukum kedua Volta: beza keupayaan pada hujung wayar bersiri tidak bergantung pada wayar perantaraan dan sama dengan beza keupayaan yang berlaku apabila wayar paling luar disambungkan pada suhu yang sama.

Dari sudut pandangan teori elektron klasik, keputusan luar biasa eksperimen Volta dijelaskan dengan agak mudah. Jika kita mengambil potensi di luar logam sebagai sifar, maka di dalam logam dengan potensi? Tenaga I elektron berbanding dengan vakum akan sama dengan:

Membawa dua logam berbeza dengan fungsi kerja A1 dan A2 bersentuhan, kita akan melihat peralihan elektron yang berlebihan daripada logam kedua, dengan fungsi kerja yang lebih rendah, ke dalam logam pertama, yang fungsi kerjanya lebih besar.

Hasil daripada peralihan ini, kepekatan (n1) elektron dalam logam pertama akan meningkat berbanding dengan kepekatan elektron dalam logam kedua (n2), yang akan menghasilkan lebihan songsang bagi aliran meresap gas elektron yang diarahkan terhadap aliran yang disebabkan oleh perbezaan dalam fungsi kerja.

Dalam keadaan keseimbangan pada sempadan dua logam, beza keupayaan berikut akan diwujudkan:

Nilai beza keupayaan pegun boleh ditentukan seperti berikut:

Fenomena ini, di mana perbezaan potensi sentuhan berlaku, yang jelas bergantung pada suhu, dipanggil kesan termoelektrik atau kesan Seebeck… Kesan Seebeck mendasari operasi termokopel dan penjana termoelektrik.

Termokopel terdiri daripada dua simpang dua logam yang berbeza.Jika salah satu persimpangan dikekalkan pada suhu yang lebih tinggi daripada yang lain, maka a thermoEMF:

Termokopel digunakan untuk mengukur suhu, dan bateri yang diperoleh daripada pelbagai termokopel boleh digunakan sebagai sumber EMF dan juga penjana termoelektrik.

Dalam penjana termoelektrik, apabila persimpangan dua logam berbeza dipanaskan, antara konduktor bebas yang terletak pada suhu yang lebih rendah, beza keupayaan termoelektrik atau thermoEMF berlaku. Dan jika anda menutup litar sedemikian kepada rintangan, maka arus akan mengalir masuk litar, iaitu, akan berlaku penukaran langsung tenaga haba kepada tenaga elektrik.

Pekali Seebeck, seperti yang dikatakan Volta, bergantung pada sifat logam yang terlibat dalam termokopel ini. Nilai ThermoEMF untuk pelbagai termokopel diukur dalam mikrovolt setiap darjah.

Jika anda mengambil dawai gelang yang terdiri daripada dua logam A dan B yang tidak serupa dicantumkan di dua tempat dan panaskan salah satu persimpangan ke suhu T1 supaya suhu T1 lebih tinggi daripada T2 (suhu persimpangan kedua), kemudian di dalam panas. hubungi arus akan diarahkan dari logam B ke logam A, dan dalam keadaan sejuk - dari logam A ke logam B. Medan termoelektromagnet logam A dalam kes ini dianggap positif berkenaan dengan logam B.

Semua logam yang diketahui mempunyai nilai pekali thermoEMF mereka sendiri, ia boleh disusun secara berturut-turut dalam lajur supaya setiap logam menunjukkan thermoEMF positif berhubung dengan yang berikut.

Sebagai contoh, berikut ialah senarai thermoEMF (dinyatakan dalam milivolt) yang akan terhasil apabila logam yang ditentukan digabungkan bersama dengan platinum dengan perbezaan suhu sentuhan 100 darjah:

Dengan bantuan data yang diberikan, adalah mungkin untuk menentukan jenis thermoEMF yang akan berlaku jika, sebagai contoh, tembaga dan aluminium disambungkan dan perbezaan suhu kenalan dikekalkan pada 100 darjah. Ia cukup untuk menolak nilai thermoEMF yang lebih kecil daripada yang lebih besar. Jadi, pasangan kuprum-aluminium dengan perbezaan suhu 100 darjah akan memberikan thermoEMF sama dengan 0.74 — 0.38 = 0.36 (mV).

Penjana termoelektrik berdasarkan logam tulen tidak cekap (kecekapan mereka adalah kira-kira 1%), jadi ia tidak digunakan secara meluas. Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan, penukar termoelektrik semikonduktor, yang menunjukkan kecekapan sehingga 7%.

Ia berasaskan semikonduktor terdop tinggi, larutan pepejal berdasarkan chalcogenides kumpulan V. Untuk mengekalkan bahagian "panas" pada suhu malar, cahaya matahari atau haba ketuhar yang telah dipanaskan adalah sesuai.

Peranti sedemikian boleh digunakan sebagai sumber tenaga alternatif di tapak terpencil: rumah api, stesen cuaca, kapal angkasa, pelampung navigasi, pengulang aktif, stesen untuk perlindungan anti-karat saluran paip minyak dan gas.

Kelebihan utama penjana termoelektrik adalah ketiadaan bahagian yang bergerak, operasi yang senyap, saiz yang agak kecil dan kemudahan pelarasan. Kelemahan utama mereka - kecekapan yang sangat rendah dalam lingkungan 6%, meneutralkan kelebihan ini.