Termoelektrik Seebeck etkisi: nedir bu? Termokupllar ve termoelektrik jeneratörler nasıl çalışır ve çalışır?

Farklı metallerden yapılmış iki çubuk birbirine sıkıca bastırılırsa, temas ettiklerinde çift elektrik tabakası ve buna karşılık gelen bir potansiyel farkı oluşur.

Bu fenomen, temas eden iki metalin her birinin özelliği olan metalden elektronların çalışma fonksiyonunun değerlerindeki farklılıktan kaynaklanmaktadır. Metalden gelen elektronların iş fonksiyonu (veya basitçe iş fonksiyonu), bir elektronu metalin yüzeyinden çevredeki boşluğa taşımak için harcanması gereken iştir.

Uygulamada, iş fonksiyonu ne kadar büyükse, elektronların arayüzü geçme olasılığı o kadar düşüktür. Sonuç olarak, iş fonksiyonu daha yüksek (!) olan metalin bulunduğu kontağın tarafında negatif bir yük biriktiği ve metalin daha düşük iş fonksiyonu olan tarafında pozitif bir yük biriktiği ortaya çıkar.

İtalyan fizikçi Alessandro Volta bu fenomeni gözlemledi ve tanımladı. Deneyimlerinden, bugün bilinen iki yasayı çıkardı. Volta Kanunları.

Volta'nın birinci yasası kulağa şöyle geliyor: iki farklı metalin temasında, bağlantıların kimyasal yapısına ve sıcaklığına bağlı olan bir potansiyel fark ortaya çıkıyor.

Volta'nın ikinci yasası: Seri bağlı tellerin uçlarındaki potansiyel fark, ara tellere bağlı değildir ve aynı sıcaklıkta en dıştaki teller bağlandığında oluşan potansiyel farka eşittir.

Klasik elektron teorisi açısından Volta'nın deneyinin alışılmadık sonuçları oldukça basit bir şekilde açıklanıyor. Metalin dışındaki potansiyeli sıfır olarak alırsak, o zaman metalin içinde bir potansiyel var mı? Elektronun boşluğa göre I enerjisi şuna eşit olacaktır:

A1 ve A2 iş fonksiyonlu iki farklı metali temas ettirerek, iş fonksiyonu daha düşük olan ikinci metalden, iş fonksiyonu daha büyük olan birinci metale aşırı elektron geçişini gözlemleyeceğiz.

Bu geçişin bir sonucu olarak, birinci metaldeki elektronların konsantrasyonu (n1), ikinci metaldeki elektronların konsantrasyonuna (n2) kıyasla artacak ve bu da elektron gazlarının diffüz akışının ters bir fazlalığını oluşturacaktır. çalışma fonksiyonlarındaki farklılıktan kaynaklanan akış.

İki metalin sınırında bir denge durumunda, aşağıdaki potansiyel fark oluşturulacaktır:

Sabit potansiyel farkının değeri aşağıdaki şekilde belirlenebilir:

Açıkça sıcaklığa bağlı olan bir temas potansiyeli farkının meydana geldiği bu fenomene denir. termoelektrik etki veya Seebeck etkisi... Seebeck etkisi, termokuplların ve termoelektrik jeneratörlerin çalışmasının temelini oluşturur.

Bir termokupl, iki farklı metalin iki birleşiminden oluşur.Bağlantı noktalarından biri diğerinden daha yüksek bir sıcaklıkta tutulursa, o zaman bir termoEMF:

Termokupllar sıcaklığı ölçmek için kullanılır ve çeşitli termokupllardan türetilen piller EMF kaynakları ve hatta termoelektrik jeneratörler olarak kullanılabilir.

Bir termoelektrik jeneratörde, iki farklı metalin birleşimi ısıtıldığında, daha düşük bir sıcaklıkta bulunan serbest iletkenler arasında bir termoelektrik potansiyel farkı veya termoEMF oluşur ve böyle bir devreyi bir dirence kapatırsanız, o zaman bir akım akar. devre, yani termal enerjinin elektrik enerjisine doğrudan dönüşümü olacaktır.

Volta'nın dediği gibi Seebeck katsayısı, bu termokuplda yer alan metallerin doğasına bağlıdır. Çeşitli termokupllar için ThermoEMF değerleri, derece başına mikrovolt cinsinden ölçülür.

İki farklı A ve B metalinin iki yerden birleştirilmesinden oluşan bir halka teli alıp bağlantı noktalarından birini T1 sıcaklığına ısıtın, böylece T1 sıcaklığı T2'den (ikinci bağlantı noktasının sıcaklığı) daha yüksek olsun, o zaman sıcak temas akımı metal B'den metal A'ya ve soğukta - metal A'dan metal B'ye yönlendirilecektir. Bu durumda metal A'nın termoelektromanyetik alanı, metal B'ye göre pozitif kabul edilir.

Bilinen tüm metallerin kendi termoEMF katsayıları değerleri vardır, bunlar bir sütunda art arda düzenlenebilirler, böylece her metal aşağıdakilere göre pozitif bir termoEMF gösterir.

Örneğin, belirtilen metaller platin ile 100 derecelik bir temas sıcaklığı farkıyla birleştirildiğinde ortaya çıkacak termoEMF'nin (milivolt cinsinden ifade edilir) bir listesi aşağıdadır:

Verilen verilerin yardımıyla, örneğin bakır ve alüminyum bağlanırsa ve temasın sıcaklık farkı 100 derecede tutulursa ne tür bir termoEMF ortaya çıkacağını belirlemek mümkündür. Küçük termoEMF değerini büyük olandan çıkarmak yeterlidir. Bu nedenle, 100 derecelik bir sıcaklık farkına sahip bir bakır-alüminyum çifti, 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV)'ye eşit bir termoEMF verecektir.

Saf metal bazlı termoelektrik jeneratörler verimli değildir (verimleri yaklaşık %1'dir), bu nedenle yaygın olarak kullanılmazlar. Bununla birlikte, %7'ye varan verimlilik gösteren yarı iletken termoelektrik dönüştürücüler dikkati çekmektedir.

Yüksek oranda katkılı yarı iletkenlere, V grubu kalkojenitlere dayalı katı çözeltilere dayanırlar. "Sıcak" tarafı sabit bir sıcaklıkta tutmak için güneş ışığı veya önceden ısıtılmış bir fırının ısısı uygundur.

Bu tür cihazlar, uzak bölgelerde alternatif enerji kaynakları olarak uygulanabilir: deniz fenerleri, meteoroloji istasyonları, uzay araçları, navigasyon şamandıraları, aktif tekrarlayıcılar, petrol ve gaz boru hatlarının korozyona karşı korunması için istasyonlar.

Termoelektrik jeneratörlerin ana avantajları, hareketli parçaların olmaması, sessiz çalışma, nispeten küçük boyut ve ayarlama kolaylığıdır. Ana dezavantajları —% 6 civarındaki son derece düşük verimlilik, bu avantajları etkisiz hale getiriyor.