L'effetto Seebeck termoelettrico: che cos'è? Come funzionano e funzionano le termocoppie e i generatori termoelettrici

Se due aste di metalli diversi sono strettamente premute insieme, al loro contatto si formerà un doppio strato elettrico e una corrispondente differenza di potenziale.

Questo fenomeno è dovuto alla differenza nei valori della funzione lavoro degli elettroni dal metallo, caratteristica di ciascuno dei due metalli a contatto. La funzione lavoro degli elettroni dal metallo (o semplicemente la funzione lavoro) è il lavoro che deve essere speso per spostare un elettrone dalla superficie del metallo nel vuoto circostante.

In pratica, maggiore è la funzione lavoro, minore è la probabilità che gli elettroni possano attraversare l'interfaccia. Di conseguenza, risulta che una carica negativa si accumula sul lato del contatto, dove si trova il metallo con una funzione di lavoro più alta (!), e una carica positiva si accumula sul lato del metallo con una funzione di lavoro inferiore.

Il fisico italiano Alessandro Volta osservò questo fenomeno e lo descrisse. Dall'esperienza ha dedotto due leggi conosciute oggi come Le leggi di Volta.

La prima legge di Volta suona così: al contatto di due metalli diversi si crea una differenza di potenziale, che dipende dalla natura chimica e dalla temperatura delle giunzioni.

Seconda legge di Volta: la differenza di potenziale ai capi dei fili collegati in serie non dipende dai fili intermedi ed è uguale alla differenza di potenziale che si ha quando i fili più esterni sono collegati alla stessa temperatura.

Dal punto di vista della teoria classica dell'elettrone, i risultati insoliti dell'esperimento di Volta sono spiegati abbastanza semplicemente. Se prendiamo il potenziale fuori dal metallo come zero, allora dentro il metallo con un potenziale? L'energia I dell'elettrone rispetto al vuoto sarà uguale a:

Portando a contatto due metalli diversi con funzioni lavoro A1 e A2, si osserverà un'eccessiva transizione di elettroni dal secondo metallo, con funzione lavoro inferiore, al primo metallo, la cui funzione lavoro è maggiore.

Come risultato di questa transizione, la concentrazione (n1) di elettroni nel primo metallo aumenterà rispetto alla concentrazione di elettroni nel secondo metallo (n2), che genererà un eccesso inverso di un flusso diffuso di gas di elettroni diretti contro il flusso causato dalla differenza nelle funzioni di lavoro.

In uno stato di equilibrio al confine tra due metalli, si stabilirà la seguente differenza di potenziale:

Il valore della differenza di potenziale stazionario può essere determinato come segue:

Viene chiamato questo fenomeno, in cui si verifica una differenza di potenziale di contatto, che ovviamente dipende dalla temperatura effetto termoelettrico o effetto Seebeck… L'effetto Seebeck è alla base del funzionamento delle termocoppie e dei generatori termoelettrici.

Una termocoppia è costituita da due giunzioni di due metalli diversi.Se una delle giunzioni viene mantenuta a una temperatura più alta dell'altra, allora a thermoEMF:

Le termocoppie vengono utilizzate per misurare la temperatura e le batterie derivate da varie termocoppie possono essere utilizzate come sorgenti EMF e persino generatori termoelettrici.

In un generatore termoelettrico, quando viene riscaldata la giunzione di due metalli diversi, tra i conduttori liberi situati a una temperatura inferiore, si verifica una differenza di potenziale termoelettrico o termoEMF.E se chiudi un tale circuito a una resistenza, allora scorrerà una corrente circuito, cioè ci sarà una conversione diretta dell'energia termica in energia elettrica.

Il coefficiente di Seebeck, come diceva Volta, dipende dalla natura dei metalli coinvolti in questa termocoppia. I valori ThermoEMF per varie termocoppie sono misurati in microvolt per grado.

Se si prende un filo ad anello composto da due metalli diversi A e B uniti in due punti e si riscalda una delle giunzioni alla temperatura T1 in modo che la temperatura T1 sia maggiore di T2 (la temperatura della seconda giunzione), allora nel caldo contatto la corrente sarà diretta dal metallo B al metallo A, e al freddo - dal metallo A al metallo B. Il campo termoelettromagnetico del metallo A in questo caso è considerato positivo rispetto al metallo B.

Tutti i metalli conosciuti hanno i propri valori di coefficienti termoEMF, possono essere disposti consecutivamente in una colonna in modo che ogni metallo mostri un termoEMF positivo rispetto al seguente.

Ad esempio, ecco un elenco della termoEMF (espressa in millivolt) che risulterà quando i metalli specificati vengono combinati insieme al platino con una differenza di temperatura di contatto di 100 gradi:

Con l'aiuto dei dati forniti, è possibile determinare quale tipo di termoEMF risulterà se, ad esempio, rame e alluminio sono collegati e la differenza di temperatura del contatto viene mantenuta a 100 gradi. È sufficiente sottrarre il valore termoEMF più piccolo da quello più grande. Quindi, una coppia rame-alluminio con una differenza di temperatura di 100 gradi darà un termoEMF pari a 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

I generatori termoelettrici basati su metalli puri non sono efficienti (la loro efficienza è di circa l'1%), quindi non sono ampiamente utilizzati. Vale la pena notare, tuttavia, i convertitori termoelettrici a semiconduttore, che mostrano un'efficienza fino al 7%.

Si basano su semiconduttori altamente drogati, soluzioni solide a base di calcogenuri del gruppo V. Per mantenere la parte "calda" a temperatura costante sono adatti la luce del sole o il calore di un forno preriscaldato.

Tali dispositivi sono applicabili come fonti energetiche alternative in siti remoti: fari, stazioni meteorologiche, veicoli spaziali, boe di navigazione, ripetitori attivi, stazioni per la protezione anticorrosiva di oleodotti e gasdotti.

I principali vantaggi dei generatori termoelettrici sono l'assenza di parti mobili, il funzionamento silenzioso, le dimensioni relativamente ridotte e la facilità di regolazione. Il loro principale svantaggio - un'efficienza estremamente bassa nella regione del 6%, neutralizza questi vantaggi.