Het thermo-elektrische Seebeck-effect: wat is het? Hoe thermokoppels en thermo-elektrische generatoren werken en werken

Als twee staven van verschillende metalen stevig tegen elkaar worden gedrukt, ontstaat bij hun contact een dubbele elektrische laag en een overeenkomstig potentiaalverschil.

Dit fenomeen is te wijten aan het verschil in de waarden van de werkfunctie van de elektronen van het metaal, kenmerkend voor elk van de twee contactmetalen. De werkfunctie van de elektronen van het metaal (of eenvoudigweg de werkfunctie) is het werk dat moet worden verricht om een ​​elektron van het oppervlak van het metaal naar het omringende vacuüm te verplaatsen.

In de praktijk geldt: hoe groter de werkfunctie, hoe kleiner de kans dat elektronen de interface kunnen passeren. Hierdoor blijkt dat zich een negatieve lading ophoopt aan de kant van het contact, waar het metaal met een hogere (!) uittreedfunctie zich bevindt, en een positieve lading zich ophoopt aan de kant van het metaal met een lagere uittreedfunctie.

De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta observeerde dit fenomeen en beschreef het. Uit ervaring leidde hij twee wetten af ​​die tegenwoordig bekend staan ​​als De wetten van Volta.

De eerste wet van Volta klinkt als volgt: bij het contact van twee verschillende metalen ontstaat een potentiaalverschil, dat afhangt van de chemische aard en de temperatuur van de knooppunten.

Tweede wet van Volta: het potentiaalverschil aan de uiteinden van in serie geschakelde draden is niet afhankelijk van de tussenliggende draden en is gelijk aan het potentiaalverschil dat ontstaat wanneer de buitenste draden bij dezelfde temperatuur worden aangesloten.

Vanuit het oogpunt van de klassieke elektronentheorie worden de ongebruikelijke resultaten van het experiment van Volta vrij eenvoudig uitgelegd. Als we de potentiaal buiten het metaal als nul nemen, dan binnen het metaal met een potentiaal? De I energie van het elektron ten opzichte van het vacuüm zal gelijk zijn aan:

Door twee verschillende metalen met werkfuncties A1 en A2 met elkaar in contact te brengen, zullen we een overmatige overgang van elektronen waarnemen van het tweede metaal, met een lagere werkfunctie, naar het eerste metaal, waarvan de werkfunctie groter is.

Als gevolg van deze overgang zal de concentratie (n1) van elektronen in het eerste metaal toenemen ten opzichte van de concentratie van elektronen in het tweede metaal (n2), wat een omgekeerde overmaat zal genereren van een diffuse stroom elektronengassen gericht tegen het stroom veroorzaakt door het verschil in werkende functies.

In een evenwichtstoestand op de grens van twee metalen ontstaat het volgende potentiaalverschil:

De waarde van het stationaire potentiaalverschil kan als volgt worden bepaald:

Dit fenomeen, waarbij een contactpotentiaalverschil optreedt, dat uiteraard afhankelijk is van de temperatuur, wordt genoemd thermo-elektrisch effect of Seebeck-effect… Het Seebeck-effect ligt ten grondslag aan de werking van thermokoppels en thermo-elektrische generatoren.

Een thermokoppel bestaat uit twee verbindingen van twee verschillende metalen.Als een van de knooppunten op een hogere temperatuur wordt gehouden dan de andere, dan a thermoEMF:

Thermokoppels worden gebruikt om de temperatuur te meten en batterijen die zijn afgeleid van verschillende thermokoppels kunnen worden gebruikt als EMF-bronnen en zelfs als thermo-elektrische generatoren.

In een thermo-elektrische generator, wanneer de verbinding van twee verschillende metalen wordt verwarmd, tussen de vrije geleiders die zich op een lagere temperatuur bevinden, treedt een thermo-elektrisch potentiaalverschil of thermoEMF op.En als je zo'n circuit sluit voor een weerstand, dan zal er een stroom in stromen het circuit, dat wil zeggen, er zal een directe omzetting zijn van thermische energie in elektrische energie.

De Seebeck-coëfficiënt, zoals Volta zei, hangt af van de aard van de metalen die betrokken zijn bij dit thermokoppel. ThermoEMF-waarden voor verschillende thermokoppels worden gemeten in microvolt per graad.

Als je een ringdraad neemt die bestaat uit twee ongelijksoortige metalen A en B die op twee plaatsen zijn samengevoegd en een van de knooppunten verwarmt tot de temperatuur T1 zodat de temperatuur T1 hoger is dan T2 (de temperatuur van het tweede knooppunt), dan in de hete contact zal de stroom van metaal B naar metaal A leiden, en in de kou - van metaal A naar metaal B. Het thermo-elektromagnetische veld van metaal A wordt in dit geval als positief beschouwd ten opzichte van metaal B.

Alle bekende metalen hebben hun eigen waarden van thermoEMF-coëfficiënten, ze kunnen opeenvolgend in een kolom worden gerangschikt zodat elk metaal een positieve thermoEMF vertoont in relatie tot het volgende.

Hier is bijvoorbeeld een lijst van de thermoEMF (uitgedrukt in millivolt) die zal resulteren wanneer de gespecificeerde metalen worden gecombineerd met platina met een contacttemperatuurverschil van 100 graden:

Met behulp van de gegeven gegevens is het mogelijk om te bepalen wat voor soort thermoEMF zal blijken als bijvoorbeeld koper en aluminium worden aangesloten en het temperatuurverschil van het contact op 100 graden wordt gehouden. Het is voldoende om de kleinere thermoEMF-waarde af te trekken van de grotere. Dus een koper-aluminiumpaar met een temperatuurverschil van 100 graden geeft een thermoEMF gelijk aan 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Thermo-elektrische generatoren op basis van zuivere metalen zijn niet efficiënt (hun rendement is ongeveer 1%), dus worden ze niet veel gebruikt. Het is echter de moeite waard om thermo-elektrische halfgeleideromzetters op te merken, die een efficiëntie tot 7% ​​laten zien.

Ze zijn gebaseerd op sterk gedoteerde halfgeleiders, vaste oplossingen op basis van chalcogeniden van groep V. Om de "hete" kant op een constante temperatuur te houden, zijn zonlicht of de hitte van een voorverwarmde oven geschikt.

Dergelijke apparaten zijn toepasbaar als alternatieve energiebronnen op afgelegen locaties: vuurtorens, weerstations, ruimtevaartuigen, navigatieboeien, actieve repeaters, stations voor anticorrosiebescherming van olie- en gaspijpleidingen.

De belangrijkste voordelen van thermo-elektrische generatoren zijn de afwezigheid van bewegende delen, stille werking, relatief kleine afmetingen en gemakkelijke aanpassing. Hun belangrijkste nadeel - extreem lage efficiëntie in de buurt van 6% - neutraliseert deze voordelen.