Termoelektriskais Zēbeka efekts: kas tas ir? Kā darbojas un darbojas termopāri un termoelektriskie ģeneratori

Ja divus stieņus, kas izgatavoti no dažādiem metāliem, cieši saspiež kopā, tad tiem saskaroties veidojas dubults elektriskais slānis un atbilstoša potenciālu starpība.

Šī parādība ir saistīta ar atšķirību elektronu darba funkcijas vērtībās no metāla, kas raksturīgas katram no diviem saskarē esošajiem metāliem. Metāla elektronu darba funkcija (vai vienkārši darba funkcija) ir darbs, kas jāpatērē, lai elektronu pārvietotu no metāla virsmas apkārtējā vakuumā.

Praksē, jo lielāka ir darba funkcija, jo mazāka ir iespēja, ka elektroni var šķērsot saskarni. Rezultātā izrādās, ka kontakta pusē, kur atrodas metāls ar augstāku (!) darba funkciju, uzkrājas negatīvs lādiņš, un pozitīvs lādiņš uzkrājas metāla pusē ar zemāku darba funkciju.

Itāļu fiziķis Alesandro Volta novēroja šo parādību un aprakstīja to. No pieredzes viņš secināja divus likumus, kas mūsdienās pazīstami kā Voltas likumi.

Pirmais Volta likums izklausās šādi: saskaroties diviem dažādiem metāliem, rodas potenciālu starpība, kas ir atkarīga no savienojumu ķīmiskās dabas un temperatūras.

Otrais Volta likums: potenciālu starpība virknē savienotu vadu galos nav atkarīga no starpvadiem un ir vienāda ar potenciālu starpību, kas rodas, savienojot attālākos vadus vienā temperatūrā.

No klasiskās elektronu teorijas viedokļa Volta eksperimenta neparastie rezultāti ir izskaidroti pavisam vienkārši. Ja potenciālu ārpus metāla ņemam par nulli, tad metāla iekšpusē ar potenciālu? Elektrona I enerģija attiecībā pret vakuumu būs vienāda ar:

Saskaroties divus dažādus metālus ar darba funkcijām A1 un A2, mēs novērojam pārmērīgu elektronu pāreju no otrā metāla, ar zemāku darba funkciju, uz pirmo metālu, kura darba funkcija ir lielāka.

Šīs pārejas rezultātā palielināsies elektronu koncentrācija (n1) pirmajā metālā, salīdzinot ar elektronu koncentrāciju otrajā metālā (n2), kas radīs pretējo metālu difūzās elektronu gāzu plūsmas pārpalikumu. plūsma, ko izraisa darba funkciju atšķirības.

Līdzsvara stāvoklī uz divu metālu robežas tiks noteikta šāda potenciālu starpība:

Stacionārā potenciāla starpības vērtību var noteikt šādi:

Šo parādību, kurā rodas kontakta potenciāla starpība, kas acīmredzami ir atkarīga no temperatūras, sauc termoelektriskais efekts vai Zēbeka efekts… Zēbeka efekts ir termopāru un termoelektrisko ģeneratoru darbības pamatā.

Termopāris sastāv no diviem divu dažādu metālu savienojumiem.Ja viens no krustojumiem tiek uzturēts augstākā temperatūrā nekā otrs, tad a termoEMF:

Temperatūras mērīšanai izmanto termopārus, un baterijas, kas iegūtas no dažādiem termopāriem, var izmantot kā EML avotus un pat termoelektriskos ģeneratorus.

Termoelektriskajā ģeneratorā, kad tiek uzkarsēts divu dažādu metālu savienojuma punkts, starp brīvajiem vadītājiem, kas atrodas zemākā temperatūrā, rodas termoelektriskā potenciāla starpība jeb termoEMF.Un ja aizver šādu ķēdi pretestībai, tad tajā ieplūdīs strāva. ķēde, tas ir, notiks tieša siltumenerģijas pārvēršana elektroenerģijā.

Zībeka koeficients, kā teica Volta, ir atkarīgs no šajā termopārā iesaistīto metālu rakstura. ThermoEMF vērtības dažādiem termopāriem tiek mērītas mikrovoltos uz grādu.

Ja ņemat gredzenveida stiepli, kas sastāv no diviem atšķirīgiem metāliem A un B, kas savienoti divās vietās, un vienu no krustojumiem uzsilda līdz temperatūrai T1 tā, lai temperatūra T1 būtu augstāka par T2 (otrā savienojuma temperatūra), tad karstajā kontaktā strāva tiks virzīta no metāla B uz metālu A, bet aukstumā - no metāla A uz metālu B. Metāla A termoelektromagnētiskais lauks šajā gadījumā tiek uzskatīts par pozitīvu attiecībā pret metālu B.

Visiem zināmajiem metāliem ir savas termoEMF koeficientu vērtības, tos var secīgi sakārtot kolonnā tā, lai katrs metāls uzrādītu pozitīvu termoEMF attiecībā pret sekojošo.

Piemēram, šeit ir saraksts ar termoEMF (izteikts milivoltos), kas rodas, ja norādītie metāli tiek apvienoti kopā ar platīnu ar kontakta temperatūras starpību 100 grādi:

Ar doto datu palīdzību var noteikt, kāds termoEMF iznāks, ja, piemēram, būs savienots varš un alumīnijs un kontakta temperatūras starpība tiek uzturēta 100 grādos. Pietiek atņemt mazāko termoEMF vērtību no lielākās. Tātad vara-alumīnija pāris ar temperatūras starpību 100 grādi dos termoEMF, kas vienāds ar 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Termoelektriskie ģeneratori, kuru pamatā ir tīri metāli, nav efektīvi (to efektivitāte ir aptuveni 1%), tāpēc tie netiek plaši izmantoti. Tomēr ir vērts atzīmēt pusvadītāju termoelektriskos pārveidotājus, kuru efektivitāte ir līdz 7%.

To pamatā ir ļoti leģēti pusvadītāji, cietie šķīdumi, kuru pamatā ir V grupas halkogenīdi.Lai "karstā" puse noturētu nemainīgu temperatūru, ir piemērota saules gaisma vai iepriekš uzkarsētas cepeškrāsns siltums.

Šādas ierīces ir izmantojamas kā alternatīvi enerģijas avoti attālās vietās: bākas, meteoroloģiskās stacijas, kosmosa kuģi, navigācijas bojas, aktīvie retranslatori, stacijas naftas un gāzes vadu pretkorozijas aizsardzībai.

Galvenās termoelektrisko ģeneratoru priekšrocības ir kustīgu detaļu trūkums, klusa darbība, salīdzinoši mazs izmērs un regulēšanas vieglums. To galvenais trūkums - ārkārtīgi zemā efektivitāte aptuveni 6% apmērā neitralizē šīs priekšrocības.