Ang thermoelectric Seebeck effect: ano ito? Paano gumagana at gumagana ang mga thermocouple at thermoelectric generator

Kung ang dalawang baras na gawa sa magkaibang mga metal ay mahigpit na pinagdikit, pagkatapos ay isang dobleng electric layer at isang katumbas na potensyal na pagkakaiba ay bubuo sa kanilang pagdikit.

Ang kababalaghan na ito ay dahil sa pagkakaiba sa mga halaga ng work function ng mga electron mula sa metal, na katangian ng bawat isa sa dalawang nakikipag-ugnay na metal. Ang work function ng mga electron mula sa metal (o simpleng work function) ay ang gawaing dapat gastusin upang ilipat ang isang electron mula sa ibabaw ng metal patungo sa nakapalibot na vacuum.

Sa pagsasagawa, mas malaki ang function ng trabaho, mas mababa ang posibilidad na ang mga electron ay maaaring tumawid sa interface. Bilang isang resulta, lumalabas na ang isang negatibong singil ay naipon sa gilid ng contact, kung saan matatagpuan ang metal na may mas mataas na (!) na pag-andar ng trabaho, at isang positibong singil ang naipon sa gilid ng metal na may mas mababang function ng trabaho.

Ang Italyano physicist na si Alessandro Volta ay naobserbahan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito at inilarawan ito. Mula sa karanasan ay nahinuha niya ang dalawang batas na kilala ngayon bilang Mga Batas ni Volta.

Ang unang batas ng Volta ay ganito ang tunog: sa pakikipag-ugnay ng dalawang magkaibang mga metal, isang potensyal na pagkakaiba ang lumitaw, na nakasalalay sa likas na kemikal at ang temperatura ng mga junction.

Pangalawang batas ng Volta: ang potensyal na pagkakaiba sa mga dulo ng mga wire na konektado sa serye ay hindi nakasalalay sa mga intermediate na wire at katumbas ng potensyal na pagkakaiba na nangyayari kapag ang mga panlabas na wire ay konektado sa parehong temperatura.

Mula sa pananaw ng klasikal na teorya ng elektron, ang mga hindi pangkaraniwang resulta ng eksperimento ni Volta ay ipinaliwanag nang simple. Kung gagawin natin ang potensyal sa labas ng metal bilang zero, pagkatapos ay sa loob ng metal na may potensyal? Ang I energy ng electron na may kaugnayan sa vacuum ay magiging katumbas ng:

Ang pagdadala ng dalawang magkaibang metal na may mga function ng trabaho na A1 at A2, makikita natin ang labis na paglipat ng mga electron mula sa pangalawang metal, na may mas mababang function ng trabaho, patungo sa unang metal, ang work function na kung saan ay mas malaki.

Bilang resulta ng paglipat na ito, ang konsentrasyon (n1) ng mga electron sa unang metal ay tataas kumpara sa konsentrasyon ng mga electron sa pangalawang metal (n2), na bubuo ng reverse excess ng nagkakalat na daloy ng mga electron gas na nakadirekta laban sa daloy na dulot ng pagkakaiba sa mga gumaganang function.

Sa isang estado ng equilibrium sa hangganan ng dalawang metal, ang mga sumusunod na potensyal na pagkakaiba ay itatatag:

Ang halaga ng nakatigil na potensyal na pagkakaiba ay maaaring matukoy tulad ng sumusunod:

Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, kung saan nangyayari ang isang potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay, na malinaw na nakasalalay sa temperatura, ay tinatawag thermoelectric effect o Seebeck effect… Ang Seebeck effect ay sumasailalim sa pagpapatakbo ng mga thermocouple at thermoelectric generator.

Ang thermocouple ay binubuo ng dalawang junction ng dalawang magkaibang metal.Kung ang isa sa mga junction ay pinananatili sa isang mas mataas na temperatura kaysa sa isa, pagkatapos ay a thermoEMF:

Ang mga thermocouple ay ginagamit upang sukatin ang temperatura, at ang mga baterya na nagmula sa iba't ibang thermocouples ay maaaring gamitin bilang mga pinagmumulan ng EMF at maging ang mga thermoelectric generator.

Sa isang thermoelectric generator, kapag ang junction ng dalawang magkaibang mga metal ay pinainit, sa pagitan ng mga libreng conductor na matatagpuan sa isang mas mababang temperatura, ang isang thermoelectric potensyal na pagkakaiba o thermoEMF ay nangyayari. ang circuit, iyon ay, magkakaroon ng direktang conversion ng thermal energy sa electrical energy.

Ang Seebeck coefficient, gaya ng sinabi ni Volta, ay nakasalalay sa likas na katangian ng mga metal na kasangkot sa thermocouple na ito. Ang mga halaga ng ThermoEMF para sa iba't ibang mga thermocouple ay sinusukat sa microvolts bawat degree.

Kung kukuha ka ng ring wire na binubuo ng dalawang magkaibang metal na A at B na pinagdugtong sa dalawang lugar at initin ang isa sa mga junction sa temperaturang T1 upang ang temperatura ng T1 ay mas mataas kaysa sa T2 (ang temperatura ng pangalawang junction), pagkatapos ay sa mainit. contact ang kasalukuyang ay ididirekta mula sa metal B sa metal A, at sa malamig - mula sa metal A hanggang sa metal B. Ang thermoelectromagnetic field ng metal A sa kasong ito ay itinuturing na positibo na may paggalang sa metal B.

Ang lahat ng mga kilalang metal ay may sariling mga halaga ng mga koepisyent ng thermoEMF, maaari silang ayusin nang sunud-sunod sa isang haligi upang ang bawat metal ay nagpapakita ng positibong thermoEMF na may kaugnayan sa mga sumusunod.

Halimbawa, narito ang isang listahan ng thermoEMF (ipinahayag sa millivolts) na magreresulta kapag ang mga tinukoy na metal ay pinagsama kasama ng platinum na may pagkakaiba sa temperatura ng contact na 100 degrees:

Sa tulong ng ibinigay na data, posibleng matukoy kung anong uri ng thermoEMF ang lalabas kung, halimbawa, ang tanso at aluminyo ay konektado at ang pagkakaiba sa temperatura ng contact ay pinananatili sa 100 degrees. Ito ay sapat na upang ibawas ang mas maliit na halaga ng thermoEMF mula sa mas malaki. Kaya, ang isang pares ng tanso-aluminyo na may pagkakaiba sa temperatura na 100 degrees ay magbibigay ng thermoEMF na katumbas ng 0.74 — 0.38 = 0.36 (mV).

Ang mga generator ng thermoelectric batay sa mga purong metal ay hindi mahusay (ang kanilang kahusayan ay humigit-kumulang 1%), kaya hindi ito malawak na ginagamit. Gayunpaman, nararapat na tandaan, ang mga semiconductor thermoelectric converter, na nagpapakita ng kahusayan ng hanggang 7%.

Ang mga ito ay batay sa mataas na doped semiconductors, mga solidong solusyon batay sa grupong V chalcogenides. Upang mapanatili ang "mainit" na bahagi sa isang pare-parehong temperatura, ang sikat ng araw o ang init ng isang preheated oven ay angkop.

Naaangkop ang mga naturang device bilang alternatibong mapagkukunan ng enerhiya sa mga malalayong lugar: mga parola, istasyon ng panahon, spacecraft, navigation buoy, aktibong repeater, mga istasyon para sa proteksyon laban sa kaagnasan ng mga pipeline ng langis at gas.

Ang mga pangunahing bentahe ng mga thermoelectric generator ay ang kawalan ng mga gumagalaw na bahagi, tahimik na operasyon, medyo maliit na sukat at kadalian ng pagsasaayos. Ang kanilang pangunahing disbentaha - napakababang kahusayan sa rehiyon na 6%, ay neutralisahin ang mga pakinabang na ito.