Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο Seebeck: τι είναι; Πώς λειτουργούν και λειτουργούν τα θερμοστοιχεία και οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες

Εάν δύο ράβδοι κατασκευασμένες από διαφορετικά μέταλλα πιέζονται σφιχτά μεταξύ τους, τότε θα σχηματιστεί ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα και μια αντίστοιχη διαφορά δυναμικού κατά την επαφή τους.

Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στη διαφορά στις τιμές της συνάρτησης εργασίας των ηλεκτρονίων από το μέταλλο, χαρακτηριστική για καθένα από τα δύο μέταλλα που έρχονται σε επαφή. Η συνάρτηση εργασίας των ηλεκτρονίων από το μέταλλο (ή απλά η συνάρτηση εργασίας) είναι το έργο που πρέπει να δαπανηθεί για να μετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια του μετάλλου στο περιβάλλον κενό.

Στην πράξη, όσο μεγαλύτερη είναι η συνάρτηση εργασίας, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα τα ηλεκτρόνια να διασχίσουν τη διεπιφάνεια. Ως αποτέλεσμα, αποδεικνύεται ότι ένα αρνητικό φορτίο συσσωρεύεται στην πλευρά της επαφής, όπου βρίσκεται το μέταλλο με υψηλότερη (!) λειτουργία εργασίας, και ένα θετικό φορτίο συσσωρεύεται στην πλευρά του μετάλλου με χαμηλότερη συνάρτηση εργασίας.

Ο Ιταλός φυσικός Alessandro Volta παρατήρησε αυτό το φαινόμενο και το περιέγραψε. Από την πείρα του συνήγαγε δύο νόμους γνωστούς σήμερα ως Νόμοι του Βόλτα.

Ο πρώτος νόμος του Volta ακούγεται ως εξής: κατά την επαφή δύο διαφορετικών μετάλλων, προκύπτει μια διαφορά δυναμικού, η οποία εξαρτάται από τη χημική φύση και τη θερμοκρασία των συνδέσεων.

Δεύτερος νόμος του Volta: η διαφορά δυναμικού στα άκρα των συνδεδεμένων σε σειρά καλωδίων δεν εξαρτάται από τα ενδιάμεσα καλώδια και είναι ίση με τη διαφορά δυναμικού που εμφανίζεται όταν τα εξωτερικά καλώδια συνδέονται στην ίδια θερμοκρασία.

Από την άποψη της κλασικής θεωρίας ηλεκτρονίων, τα ασυνήθιστα αποτελέσματα του πειράματος του Βόλτα εξηγούνται πολύ απλά. Αν πάρουμε το δυναμικό έξω από το μέταλλο ως μηδέν, τότε μέσα στο μέταλλο με δυναμικό; Η ενέργεια I του ηλεκτρονίου σε σχέση με το κενό θα είναι ίση με:

Φέρνοντας σε επαφή δύο διαφορετικά μέταλλα με συναρτήσεις εργασίας Α1 και Α2, θα παρατηρήσουμε μια υπερβολική μετάβαση ηλεκτρονίων από το δεύτερο μέταλλο, με χαμηλότερη συνάρτηση εργασίας, στο πρώτο μέταλλο, του οποίου η συνάρτηση εργασίας είναι μεγαλύτερη.

Ως αποτέλεσμα αυτής της μετάβασης, η συγκέντρωση (n1) των ηλεκτρονίων στο πρώτο μέταλλο θα αυξηθεί σε σύγκριση με τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στο δεύτερο μέταλλο (n2), το οποίο θα δημιουργήσει μια αντίστροφη περίσσεια μιας διάχυτης ροής ηλεκτρονιακών αερίων που κατευθύνεται εναντίον του ροή που προκαλείται από τη διαφορά στις λειτουργίες εργασίας.

Σε κατάσταση ισορροπίας στο όριο δύο μετάλλων, θα διαπιστωθεί η ακόλουθη διαφορά δυναμικού:

Η τιμή της διαφοράς στατικού δυναμικού μπορεί να προσδιοριστεί ως εξής:

Αυτό το φαινόμενο, στο οποίο εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού επαφής, η οποία προφανώς εξαρτάται από τη θερμοκρασία, ονομάζεται θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ή φαινόμενο Seebeck… Το φαινόμενο Seebeck αποτελεί τη βάση της λειτουργίας των θερμοζευγών και των θερμοηλεκτρικών γεννητριών.

Ένα θερμοστοιχείο αποτελείται από δύο ενώσεις δύο διαφορετικών μετάλλων.Εάν ένας από τους κόμβους διατηρείται σε υψηλότερη θερμοκρασία από τον άλλο, τότε α thermoEMF:

Τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και οι μπαταρίες που προέρχονται από διάφορα θερμοστοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές EMF και ακόμη και ως θερμοηλεκτρικές γεννήτριες.

Σε μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια, όταν θερμαίνεται η ένωση δύο διαφορετικών μετάλλων, μεταξύ των ελεύθερων αγωγών που βρίσκονται σε χαμηλότερη θερμοκρασία, εμφανίζεται μια διαφορά θερμοηλεκτρικού δυναμικού ή thermoEMF. Και εάν κλείσετε ένα τέτοιο κύκλωμα σε μια αντίσταση, τότε θα εισρεύσει ρεύμα το κύκλωμα, δηλαδή θα υπάρξει άμεση μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική.

Ο συντελεστής Seebeck, όπως είπε ο Volta, εξαρτάται από τη φύση των μετάλλων που εμπλέκονται σε αυτό το θερμοστοιχείο. Οι τιμές ThermoEMF για διάφορα θερμοστοιχεία μετρώνται σε μικροβολτ ανά βαθμό.

Εάν πάρετε ένα δακτυλιοειδή σύρμα που αποτελείται από δύο ανόμοια μέταλλα Α και Β ενωμένα σε δύο σημεία και θερμάνετε έναν από τους κόμβους στη θερμοκρασία Τ1 έτσι ώστε η θερμοκρασία Τ1 να είναι υψηλότερη από την Τ2 (τη θερμοκρασία της δεύτερης διασταύρωσης), τότε στη θερμή επαφή το ρεύμα θα κατευθυνθεί από το μέταλλο Β στο μέταλλο Α, και στο κρύο - από το μέταλλο Α στο μέταλλο Β. Το θερμοηλεκτρομαγνητικό πεδίο του μετάλλου Α σε αυτή την περίπτωση θεωρείται θετικό σε σχέση με το μέταλλο Β.

Όλα τα γνωστά μέταλλα έχουν τις δικές τους τιμές των συντελεστών thermoEMF, μπορούν να τακτοποιηθούν διαδοχικά σε μια στήλη έτσι ώστε κάθε μέταλλο να εμφανίζει θετικό thermoEMF σε σχέση με τα ακόλουθα.

Για παράδειγμα, εδώ είναι μια λίστα με το thermoEMF (εκφρασμένο σε millivolt) που θα προκύψει όταν τα καθορισμένα μέταλλα συνδυαστούν μαζί με πλατίνα με διαφορά θερμοκρασίας επαφής 100 μοιρών:

Με τη βοήθεια των δεδομένων, είναι δυνατό να προσδιοριστεί τι είδους thermoEMF θα αποδειχθεί εάν, για παράδειγμα, ο χαλκός και το αλουμίνιο συνδέονται και η διαφορά θερμοκρασίας της επαφής διατηρείται στους 100 μοίρες. Αρκεί να αφαιρέσετε τη μικρότερη τιμή thermoEMF από τη μεγαλύτερη. Έτσι, ένα ζεύγος χαλκού-αλουμινίου με διαφορά θερμοκρασίας 100 μοιρών θα δώσει ένα thermoEMF ίσο με 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες που βασίζονται σε καθαρά μέταλλα δεν είναι αποδοτικές (η απόδοσή τους είναι περίπου 1%), επομένως δεν χρησιμοποιούνται ευρέως. Αξίζει να σημειωθούν, ωστόσο, οι θερμοηλεκτρικοί μετατροπείς ημιαγωγών, οι οποίοι παρουσιάζουν απόδοση έως και 7%.

Βασίζονται σε ημιαγωγούς υψηλής πρόσμιξης, στερεά διαλύματα με βάση τα χαλκογονίδια της ομάδας V. Για να διατηρείται η «καυτή» πλευρά σε σταθερή θερμοκρασία, είναι κατάλληλο το ηλιακό φως ή η θερμότητα ενός προθερμασμένου φούρνου.

Τέτοιες συσκευές είναι εφαρμόσιμες ως εναλλακτικές πηγές ενέργειας σε απομακρυσμένες τοποθεσίες: φάροι, μετεωρολογικοί σταθμοί, διαστημόπλοια, σημαντήρες πλοήγησης, ενεργοί επαναλήπτες, σταθμοί αντιδιαβρωτικής προστασίας αγωγών πετρελαίου και φυσικού αερίου.

Τα κύρια πλεονεκτήματα των θερμοηλεκτρικών γεννητριών είναι η απουσία κινητών μερών, η αθόρυβη λειτουργία, το σχετικά μικρό μέγεθος και η ευκολία προσαρμογής. Το κύριο μειονέκτημά τους — η εξαιρετικά χαμηλή απόδοση στην περιοχή του 6%, εξουδετερώνει αυτά τα πλεονεκτήματα.