Термоелектрични Сеебецк ефекат: шта је то? Како термопарови и термоелектрични генератори раде и раде

Ако су две шипке направљене од различитих метала чврсто притиснуте једна уз другу, тада ће се приликом њиховог контакта формирати двоструки електрични слој и одговарајућа разлика потенцијала.

Овај феномен је због разлике у вредностима радне функције електрона из метала, карактеристичне за сваки од два метала у контакту. Радна функција електрона из метала (или једноставно радна функција) је рад који се мора потрошити да би се електрон померио са површине метала у околни вакуум.

У пракси, што је већа радна функција, то је мања вероватноћа да електрони могу да пређу преко интерфејса. Као резултат тога, испоставља се да се негативно наелектрисање акумулира на страни контакта, где се налази метал са вишом (!) радном функцијом, а позитивно наелектрисање се акумулира на страни метала са нижом радном функцијом.

Италијански физичар Алесандро Волта је посматрао овај феномен и описао га. Из искуства је извео два закона данас позната као Волтини закони.

Први Волтин закон звучи овако: при контакту два различита метала настаје разлика потенцијала, која зависи од хемијске природе и температуре спојева.

Волтин други закон: разлика потенцијала на крајевима серијски повезаних жица не зависи од међужица и једнака је разлици потенцијала која настаје када су најудаљеније жице повезане на истој температури.

Са становишта класичне теорије електрона, необични резултати Волтиног експеримента објашњавају се прилично једноставно. Ако потенцијал изван метала узмемо као нула, онда унутар метала са потенцијалом? И енергија електрона у односу на вакуум биће једнака:

Доводећи у контакт два различита метала са радним функцијама А1 и А2, уочићемо прекомерни прелазак електрона из другог метала, са нижом радном функцијом, у први метал, чија је радна функција већа.

Као резултат ове транзиције, концентрација (н1) електрона у првом металу ће се повећати у поређењу са концентрацијом електрона у другом металу (н2), што ће створити обрнути вишак дифузног тока електронских гасова усмерених на проток изазван разликом радних функција.

У стању равнотеже на граници два метала, успоставиће се следећа разлика потенцијала:

Вредност стационарне разлике потенцијала може се одредити на следећи начин:

Ова појава, у којој настаје контактна разлика потенцијала, која очигледно зависи од температуре, назива се термоелектрични ефекат или Зебеков ефекат… Сеебецк ефекат је у основи рада термопарова и термоелектричних генератора.

Термопар се састоји од два споја два различита метала.Ако се један од спојева одржава на вишој температури од другог, онда а термоЕМФ:

Термопарови се користе за мерење температуре, а батерије изведене из различитих термопарова могу се користити као извори ЕМФ-а, па чак и термоелектрични генератори.

У термоелектричном генератору, када се спој два различита метала загреје, између слободних проводника који се налазе на нижој температури, настаје разлика термоелектричног потенцијала или термоЕМФ. А ако затворите такво коло на отпор, тада ће струја тећи у кола, односно доћи ће до директног претварања топлотне енергије у електричну.

Зебеков коефицијент, како је Волта рекао, зависи од природе метала укључених у овај термопар. ТхермоЕМФ вредности за различите термопарове мере се у микроволтима по степену.

Ако узмете прстенасту жицу састављену од два различита метала А и Б спојена на два места и загрејете један од спојева на температуру Т1 тако да температура Т1 буде виша од Т2 (температура другог споја), онда у врућем контакт струја ће бити усмерена од метала Б до метала А, а на хладном - од метала А до метала Б. Термоелектромагнетно поље метала А у овом случају се сматра позитивним у односу на метал Б.

Сви познати метали имају своје вредности коефицијената термоЕМФ, могу се поредати узастопно у колону тако да сваки метал показује позитиван термоЕМФ у односу на следеће.

На пример, ево листе термоЕМФ-а (израженог у миливолтима) који ће се добити када се наведени метали комбинују заједно са платином са температурном разликом контакта од 100 степени:

Уз помоћ датих података могуће је утврдити какав ће термоЕМФ испасти ако се, на пример, споје бакар и алуминијум, а температурна разлика контакта одржава на 100 степени. Довољно је одузети мању вредност термоЕМФ од веће. Дакле, пар бакар-алуминијум са температурном разликом од 100 степени даће термоЕМФ једнак 0,74 — 0,38 = 0,36 (мВ).

Термоелектрични генератори на бази чистих метала нису ефикасни (ефикасност им је око 1%), тако да нису у широкој употреби. Вреди напоменути, међутим, полупроводничке термоелектричне претвараче, који показују ефикасност до 7%.

Засновани су на високо допираним полупроводницима, чврстим растворима на бази халкогенида групе В. Да би „врућа“ страна била на константној температури, погодна је сунчева светлост или топлота претходно загрејане рерне.

Такви уређаји су применљиви као алтернативни извори енергије на удаљеним локацијама: светионици, метеоролошке станице, свемирске летелице, навигационе бове, активни репетитори, станице за антикорозивну заштиту нафтовода и гасовода.

Главне предности термоелектричних генератора су одсуство покретних делова, тих рад, релативно мала величина и лакоћа подешавања. Њихов главни недостатак — изузетно ниска ефикасност у региону од 6%, неутралише ове предности.