Termoelektrický Seebeckův jev: co to je? Jak fungují a fungují termočlánky a termoelektrické generátory

Pokud jsou dvě tyče vyrobené z různých kovů těsně přitlačeny k sobě, pak se při jejich kontaktu vytvoří dvojitá elektrická vrstva a odpovídající potenciálový rozdíl.

Tento jev je způsoben rozdílem v hodnotách pracovní funkce elektronů z kovu, charakteristických pro každý ze dvou kontaktujících kovů. Pracovní funkce elektronů z kovu (nebo jednoduše pracovní funkce) je práce, která musí být vynaložena na přesun elektronu z povrchu kovu do okolního vakua.

V praxi platí, že čím větší pracovní funkce, tím nižší je pravděpodobnost, že elektrony mohou překročit rozhraní. V důsledku toho se ukazuje, že záporný náboj se hromadí na straně kontaktu, kde se nachází kov s vyšší (!) pracovní funkcí, a kladný náboj na straně kovu s nižší pracovní funkcí.

Italský fyzik Alessandro Volta tento jev pozoroval a popsal. Ze zkušenosti odvodil dva zákony známé dnes jako Voltovy zákony.

První Voltův zákon zní takto: při styku dvou různých kovů vzniká potenciálový rozdíl, který závisí na chemické povaze a teplotě přechodů.

Druhý Voltův zákon: rozdíl potenciálů na koncích sériově zapojených vodičů nezávisí na mezilehlých vodičích a rovná se rozdílu potenciálů, ke kterému dochází, když jsou krajní vodiče připojeny při stejné teplotě.

Z hlediska klasické elektronové teorie jsou neobvyklé výsledky Voltova experimentu vysvětleny zcela jednoduše. Pokud vezmeme potenciál vně kovu jako nulový, pak uvnitř kovu s potenciálem? Energie I elektronu vzhledem k vakuu bude rovna:

Přivedením dvou různých kovů s pracovními funkcemi A1 a A2 do kontaktu budeme pozorovat nadměrný přechod elektronů z druhého kovu s nižší pracovní funkcí do prvního kovu, jehož pracovní funkce je větší.

V důsledku tohoto přechodu se koncentrace (n1) elektronů v prvním kovu zvýší ve srovnání s koncentrací elektronů ve druhém kovu (n2), což bude generovat obrácený přebytek difúzního toku elektronových plynů namířených proti průtok způsobený rozdílem pracovních funkcí.

V rovnovážném stavu na hranici dvou kovů vznikne následující potenciální rozdíl:

Hodnotu stacionárního potenciálového rozdílu lze určit takto:

Tento jev, při kterém dochází k rozdílu kontaktních potenciálů, který samozřejmě závisí na teplotě, se nazývá termoelektrický jev nebo Seebeckův jev… Seebeckův jev je základem činnosti termočlánků a termoelektrických generátorů.

Termočlánek se skládá ze dvou spojů dvou různých kovů.Pokud je jeden z přechodů udržován na vyšší teplotě než druhý, pak a termoEMF:

Termočlánky se používají k měření teploty a baterie odvozené od různých termočlánků lze použít jako zdroje EMF a dokonce i termoelektrické generátory.

V termoelektrickém generátoru, kdy se spoj dvou různých kovů zahřívá, mezi volnými vodiči umístěnými při nižší teplotě dochází k rozdílu termoelektrického potenciálu neboli termoEMF. A pokud takový obvod uzavřete na odpor, pak poteče proud v obvodu, to znamená, že dojde k přímé přeměně tepelné energie na energii elektrickou.

Seebeckův koeficient, jak řekl Volta, závisí na povaze kovů zahrnutých v tomto termočlánku. Hodnoty ThermoEMF pro různé termočlánky se měří v mikrovoltech na stupeň.

Pokud vezmete kruhový drát složený ze dvou odlišných kovů A a B spojených na dvou místech a zahřejete jeden z přechodů na teplotu T1 tak, aby teplota T1 byla vyšší než T2 (teplota druhého přechodu), pak v horkém kontakt bude proud směřovat z kovu B na kov A a za studena - z kovu A na kov B. Termoelektromagnetické pole kovu A je v tomto případě považováno za pozitivní vzhledem ke kovu B.

Všechny známé kovy mají své vlastní hodnoty koeficientů termoEMF, lze je uspořádat za sebou ve sloupci tak, že každý kov vykazuje pozitivní termoEMF ve vztahu k následujícímu.

Zde je například seznam termoEMF (vyjádřený v milivoltech), který vznikne, když se uvedené kovy zkombinují s platinou s rozdílem kontaktních teplot 100 stupňů:

Pomocí daných údajů lze určit, jaký druh termoEMF se ukáže, pokud je například připojena měď a hliník a teplotní rozdíl kontaktu je udržován na 100 stupních. Stačí odečíst menší hodnotu termoEMF od větší. Takže pár měď-hliník s teplotním rozdílem 100 stupňů poskytne termoEMF rovný 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektrické generátory na bázi čistých kovů nejsou účinné (jejich účinnost je asi 1 %), proto se příliš nepoužívají. Za povšimnutí však stojí polovodičové termoelektrické měniče, které vykazují účinnost až 7 %.

Jsou založeny na vysoce dopovaných polovodičích, pevných roztocích na bázi chalkogenidů skupiny V. Pro udržení „horké“ strany na konstantní teplotě je vhodné sluneční záření nebo teplo předehřáté trouby.

Taková zařízení jsou použitelná jako alternativní zdroje energie ve vzdálených lokalitách: majáky, meteorologické stanice, kosmické lodě, navigační bóje, aktivní opakovače, stanice pro antikorozní ochranu ropovodů a plynovodů.

Hlavními výhodami termoelektrických generátorů jsou absence pohyblivých částí, tichý chod, relativně malé rozměry a snadné nastavení. Jejich hlavní nevýhoda – extrémně nízká účinnost v oblasti 6 %, tyto výhody neutralizuje.