Hiệu ứng Seebeck nhiệt điện: nó là gì? Cách cặp nhiệt điện và máy phát nhiệt điện hoạt động và vận hành

Nếu hai thanh làm bằng các kim loại khác nhau được ép chặt vào nhau, thì một lớp điện kép và một hiệu điện thế tương ứng sẽ hình thành khi chúng tiếp xúc.

Hiện tượng này là do sự khác biệt về các giá trị của hàm công việc của các electron từ kim loại, đặc trưng của từng kim loại trong số hai kim loại tiếp xúc. Công của các electron từ kim loại (hay đơn giản là hàm công) là công phải tiêu tốn để di chuyển một electron từ bề mặt kim loại vào chân không xung quanh.

Trong thực tế, hàm công việc càng lớn thì khả năng các electron có thể đi qua giao diện càng thấp. Kết quả là, điện tích âm tích tụ ở mặt tiếp xúc, nơi đặt kim loại có công năng hoạt động cao hơn (!) và điện tích dương tích tụ ở mặt bên của kim loại có công năng thấp hơn.

Nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã quan sát hiện tượng này và mô tả nó. Từ kinh nghiệm, ông đã suy ra hai định luật ngày nay được gọi là Định luật Volta.

Định luật đầu tiên của Volta nghe như thế này: khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, một sự khác biệt tiềm năng phát sinh, điều này phụ thuộc vào bản chất hóa học và nhiệt độ của các mối nối.

Định luật thứ hai của Volta: hiệu điện thế ở hai đầu của các dây nối tiếp không phụ thuộc vào các dây trung gian và bằng hiệu điện thế xảy ra khi các dây ngoài cùng được nối ở cùng nhiệt độ.

Theo quan điểm của lý thuyết điện tử cổ điển, các kết quả bất thường của thí nghiệm Volta được giải thích khá đơn giản. Nếu lấy điện thế bên ngoài kim loại bằng 0 thì bên trong kim loại có điện thế? Năng lượng I của electron so với chân không sẽ bằng:

Cho hai kim loại khác nhau có công A1 và A2 tiếp xúc với nhau, ta sẽ quan sát thấy có sự chuyển dịch quá mức của các êlectron từ kim loại thứ hai có công thấp hơn sang kim loại thứ nhất có công lớn hơn.

Do quá trình chuyển đổi này, nồng độ (n1) của các electron trong kim loại thứ nhất sẽ tăng so với nồng độ của các electron trong kim loại thứ hai (n2), điều này sẽ tạo ra sự dư thừa ngược lại của dòng khí khuếch tán electron hướng vào kim loại. dòng chảy gây ra bởi sự khác biệt trong các chức năng làm việc.

Ở trạng thái cân bằng tại ranh giới của hai kim loại sẽ xác lập hiệu điện thế sau:

Giá trị của hiệu điện thế cố định có thể được xác định như sau:

Hiện tượng này, trong đó xảy ra sự chênh lệch điện thế tiếp xúc, hiển nhiên phụ thuộc vào nhiệt độ, được gọi là hiệu ứng nhiệt điện hay hiệu ứng Seebeck… Hiệu ứng Seebeck làm cơ sở cho hoạt động của cặp nhiệt điện và máy phát nhiệt điện.

Một cặp nhiệt điện bao gồm hai điểm nối của hai kim loại khác nhau.Nếu một trong các mối nối được duy trì ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ còn lại, thì một nhiệtEMF:

Cặp nhiệt điện được sử dụng để đo nhiệt độ và pin có nguồn gốc từ các cặp nhiệt điện khác nhau có thể được sử dụng làm nguồn EMF và thậm chí cả máy phát nhiệt điện.

Trong một máy phát nhiệt điện, khi mối nối của hai kim loại khác nhau được nung nóng, giữa các dây dẫn tự do nằm ở nhiệt độ thấp hơn, sẽ xảy ra sự chênh lệch điện thế nhiệt điện hoặc nhiệt điện từ. mạch, tức là sẽ có sự chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng.

Hệ số Seebeck, như Volta đã nói, phụ thuộc vào bản chất của các kim loại có trong cặp nhiệt điện này. Các giá trị ThermoEMF cho các cặp nhiệt điện khác nhau được đo bằng microvolt trên một độ.

Nếu bạn lấy một vòng dây gồm hai kim loại khác nhau A và B được nối với nhau ở hai vị trí và nung nóng một trong các mối nối đến nhiệt độ T1 sao cho nhiệt độ T1 cao hơn T2 (nhiệt độ của mối nối thứ hai), thì trong trường hợp nóng khi tiếp xúc, dòng điện sẽ được định hướng từ kim loại B sang kim loại A, và khi lạnh - từ kim loại A sang kim loại B. Trường nhiệt điện từ của kim loại A trong trường hợp này được coi là dương đối với kim loại B.

Tất cả các kim loại đã biết đều có các giá trị hệ số nhiệt điện từ riêng, chúng có thể được sắp xếp liên tiếp trong một cột sao cho mỗi kim loại hiển thị một điện từ nhiệt điện từ dương liên quan đến các giá trị sau.

Ví dụ: đây là danh sách các nhiệt điện từ (được biểu thị bằng milivôn) sẽ xảy ra khi các kim loại được chỉ định được kết hợp cùng với bạch kim với chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc là 100 độ:

Với sự trợ giúp của dữ liệu đã cho, có thể xác định loại nhiệt điện từ trường điện từ nào sẽ tạo ra nếu, ví dụ, đồng và nhôm được kết nối và chênh lệch nhiệt độ của tiếp điểm được duy trì ở 100 độ. Chỉ cần trừ giá trị nhiệt điện từ nhỏ hơn khỏi giá trị lớn hơn là đủ. Vì vậy, một cặp đồng-nhôm có chênh lệch nhiệt độ 100 độ sẽ cho nhiệt EMF bằng 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

Máy phát nhiệt điện dựa trên kim loại nguyên chất không hiệu quả (hiệu suất của chúng khoảng 1%), vì vậy chúng không được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là các bộ chuyển đổi nhiệt điện bán dẫn, cho thấy hiệu suất lên tới 7%.

Chúng dựa trên chất bán dẫn pha tạp cao, dung dịch rắn dựa trên chalcogenua nhóm V. Để giữ cho mặt "nóng" ở nhiệt độ không đổi, ánh sáng mặt trời hoặc sức nóng của lò nung nóng trước là phù hợp.

Các thiết bị như vậy được áp dụng làm nguồn năng lượng thay thế ở các địa điểm xa xôi: ngọn hải đăng, trạm thời tiết, tàu vũ trụ, phao điều hướng, bộ lặp hoạt động, trạm bảo vệ chống ăn mòn đường ống dẫn dầu và khí đốt.

Ưu điểm chính của máy phát nhiệt điện là không có bộ phận chuyển động, hoạt động yên tĩnh, kích thước tương đối nhỏ và dễ điều chỉnh. Hạn chế chính của chúng — hiệu suất cực thấp trong khoảng 6%, vô hiệu hóa những lợi thế này.