אפקט סיבק התרמו-אלקטרי: מה זה? כיצד פועלים ופועלים צמדים תרמיים ומחוללים תרמו-אלקטריים

אם שני מוטות העשויים ממתכות שונות נלחצים בחוזקה זה לזה, אז ייווצרו שכבה חשמלית כפולה והפרש פוטנציאל מתאים במגע ביניהם.

תופעה זו נובעת מההבדל בערכי תפקוד העבודה של האלקטרונים מהמתכת, האופייניים לכל אחת משתי המתכות המגעות. פונקציית העבודה של האלקטרונים מהמתכת (או פשוט פונקציית העבודה) היא העבודה שיש להשקיע כדי להעביר אלקטרון מפני השטח של המתכת אל הוואקום שמסביב.

בפועל, ככל שפונקציית העבודה גדולה יותר, כך ההסתברות שאלקטרונים יוכלו לחצות את הממשק נמוכה יותר. כתוצאה מכך מתברר שמצטבר מטען שלילי בצד המגע, בו נמצאת המתכת בעלת פונקציית עבודה גבוהה יותר (!), ומטען חיובי מצטבר בצד המתכת עם פונקציית עבודה נמוכה יותר.

הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה צפה בתופעה זו ותיאר אותה. מניסיון הוא הסיק שני חוקים הידועים כיום כ חוקי וולטה.

החוק הראשון של וולטה נשמע כך: במגע של שתי מתכות שונות נוצר הבדל פוטנציאל, שתלוי בטבע הכימי ובטמפרטורת הצמתים.

החוק השני של וולטה: הפרש הפוטנציאל בקצוות של חוטים המחוברים בסדרה אינו תלוי בחוטי הביניים והוא שווה להפרש הפוטנציאלים המתרחש כאשר החוטים החיצוניים מחוברים באותה טמפרטורה.

מנקודת המבט של תורת האלקטרונים הקלאסית, התוצאות החריגות של הניסוי של וולטה מוסברות בצורה פשוטה למדי. אם ניקח את הפוטנציאל מחוץ למתכת כאפס, אז בתוך המתכת עם פוטנציאל? אנרגיית ה-I של האלקטרון ביחס לוואקום תהיה שווה ל:

הבאת שתי מתכות שונות עם פונקציות העבודה A1 ו-A2 במגע, נבחין במעבר מוגזם של אלקטרונים מהמתכת השנייה, עם פונקציית עבודה נמוכה יותר, למתכת הראשונה שתפקוד העבודה שלה גדול יותר.

כתוצאה ממעבר זה, ריכוז האלקטרונים (n1) במתכת הראשונה יגדל בהשוואה לריכוז האלקטרונים במתכת השנייה (n2), מה שיגרום לעודף הפוך של זרימה מפוזרת של גזי אלקטרונים המכוונת נגד זרימה הנגרמת על ידי ההבדל בפונקציות העבודה.

במצב של שיווי משקל בגבול שתי מתכות, ייווצר הפרש הפוטנציאל הבא:

ניתן לקבוע את הערך של הפרש הפוטנציאל הנייח באופן הבא:

תופעה זו, שבה מתרחש הפרש פוטנציאל מגע, שתלוי כמובן בטמפרטורה, נקראת אפקט תרמו-אלקטרי או אפקט Seebeck... אפקט Seebeck עומד בבסיס הפעולה של צמדים תרמיים ומחוללים תרמו-אלקטריים.

צמד תרמי מורכב משני צמתים של שתי מתכות שונות.אם אחד הצמתים נשמר בטמפרטורה גבוהה יותר מהשני, אז א thermoEMF:

צמדים תרמיים משמשים למדידת טמפרטורה, וסוללות שמקורן בצמדים תרמיים שונים יכולות לשמש כמקורות EMF ואפילו גנרטורים תרמו-אלקטריים.

בגנרטור תרמו-אלקטרי, כאשר החיבור של שתי מתכות שונות מחומם, בין המוליכים החופשיים הממוקמים בטמפרטורה נמוכה יותר, נוצר הפרש פוטנציאל תרמו-אלקטרי או thermoEMF. ואם סוגרים מעגל כזה להתנגדות, אז זרם יזרום פנימה המעגל, כלומר, תהיה המרה ישירה של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית.

מקדם סייבק, כפי שאמר וולטה, תלוי באופי המתכות המעורבות בצמד התרמי הזה. ערכי ThermoEMF עבור צמדים תרמיים שונים נמדדים במיקרו-וולט לכל מעלה.

אם לוקחים חוט טבעת המורכב משתי מתכות שונות A ו-B המחוברות בשני מקומות ומחממים את אחד הצמתים לטמפרטורה T1 כך שהטמפרטורה T1 גבוהה מ-T2 (הטמפרטורה של הצומת השני), אז בחום מגע הזרם יופנה ממתכת B למתכת A, ובקור - ממתכת A למתכת B. השדה התרמו-אלקטרומגנטי של מתכת A במקרה זה נחשב חיובי ביחס למתכת B.

לכל המתכות המוכרות יש ערכים משלהן של מקדמי תרמו-EMF, ניתן לסדר אותם ברציפות בעמודה כך שכל מתכת מציגה תרמו-EMF חיובי ביחס למתכת הבאה.

לדוגמה, הנה רשימה של התרמו-EMF (מבוטא במילי-וולט) שייווצר כאשר המתכות שצוינו ישולבו יחד עם פלטינה עם הפרש טמפרטורת מגע של 100 מעלות:

בעזרת הנתונים הנתונים, ניתן לקבוע איזה סוג של thermoEMF יתברר אם, למשל, נחושת ואלומיניום מחוברים והפרש הטמפרטורה של המגע נשמר על 100 מעלות. זה מספיק כדי להחסיר את ערך thermoEMF הקטן יותר מהגדול יותר. אז, זוג נחושת-אלומיניום עם הפרש טמפרטורה של 100 מעלות ייתן thermoEMF השווה ל-0.74 - 0.38 = 0.36 (mV).

גנרטורים טרמו-אלקטריים המבוססים על מתכות טהורות אינם יעילים (היעילות שלהם היא כ-1%), ולכן אין בהם שימוש נרחב. ראוי לציין, עם זאת, ממירים תרמו-אלקטריים מוליכים למחצה, המציגים יעילות של עד 7%.

הם מבוססים על מוליכים למחצה בעלי סימום גבוה, פתרונות מוצקים המבוססים על כלקוגנידים מקבוצה V. כדי לשמור על הצד ה"חם" בטמפרטורה קבועה, מתאימים אור שמש או חום של תנור שחומם מראש.

מכשירים כאלה ישימים כמקורות אנרגיה חלופיים באתרים מרוחקים: מגדלורים, תחנות מזג אוויר, חלליות, מצופי ניווט, משחזרים פעילים, תחנות להגנה נגד קורוזיה של צינורות נפט וגז.

היתרונות העיקריים של גנרטורים תרמו-אלקטריים הם היעדר חלקים נעים, פעולה שקטה, גודל קטן יחסית וקלות התאמה. החיסרון העיקרי שלהם - יעילות נמוכה ביותר באזור של 6%, מנטרל את היתרונות הללו.