L'efecte Seebeck termoelèctric: què és? Com funcionen i funcionen els termoparells i els generadors termoelèctrics
Si dues varetes fetes de metalls diferents es pressionen fortament juntes, aleshores es formarà una doble capa elèctrica i una diferència de potencial corresponent al seu contacte.
Aquest fenomen es deu a la diferència en els valors de la funció de treball dels electrons del metall, característic de cadascun dels dos metalls en contacte. La funció de treball dels electrons del metall (o simplement la funció de treball) és el treball que s'ha de gastar per moure un electró de la superfície del metall al buit circumdant.
A la pràctica, com més gran és la funció de treball, menor és la probabilitat que els electrons puguin creuar la interfície. Com a resultat, resulta que s'acumula una càrrega negativa al costat del contacte, on es troba el metall amb una funció de treball més alta (!) i una càrrega positiva s'acumula al costat del metall amb una funció de treball més baixa.
El físic italià Alessandro Volta va observar aquest fenomen i el va descriure. Per experiència va deduir dues lleis conegudes avui com a Lleis de Volta.
La primera llei de Volta sona així: en el contacte de dos metalls diferents, sorgeix una diferència de potencial, que depèn de la naturalesa química i de la temperatura de les unions.
Segona llei de Volta: la diferència de potencial als extrems dels cables connectats en sèrie no depèn dels cables intermedis i és igual a la diferència de potencial que es produeix quan els cables més exteriors estan connectats a la mateixa temperatura.
Des del punt de vista de la teoria clàssica d'electrons, els resultats inusuals de l'experiment de Volta s'expliquen de manera molt senzilla. Si prenem el potencial fora del metall com a zero, aleshores dins del metall amb un potencial? L'energia I de l'electró respecte al buit serà igual a:
Posant en contacte dos metalls diferents amb funcions de treball A1 i A2, observarem una transició excessiva d'electrons del segon metall, amb una funció de treball inferior, al primer metall, la funció de treball del qual és més gran.
Com a resultat d'aquesta transició, la concentració (n1) d'electrons en el primer metall augmentarà en comparació amb la concentració d'electrons en el segon metall (n2), la qual cosa generarà un excés invers d'un flux difús de gasos d'electrons dirigit contra el flux causat per la diferència en les funcions de treball.
En un estat d'equilibri al límit de dos metalls, s'establirà la següent diferència de potencial:
El valor de la diferència de potencial estacionària es pot determinar de la següent manera:
Aquest fenomen, en el qual es produeix una diferència de potencial de contacte, que òbviament depèn de la temperatura, s'anomena efecte termoelèctric o efecte Seebeck… L'efecte Seebeck és la base del funcionament de termoparells i generadors termoelèctrics.
Un termoparell està format per dues unions de dos metalls diferents.Si una de les unions es manté a una temperatura més alta que l'altra, aleshores a termoEMF:
Els termoparells s'utilitzen per mesurar la temperatura, i les bateries derivades de diversos termoparells es poden utilitzar com a fonts EMF i fins i tot generadors termoelèctrics.
En un generador termoelèctric, quan s'escalfa la unió de dos metalls diferents, entre els conductors lliures situats a una temperatura més baixa, es produeix una diferència de potencial termoelèctrica o termoEMF. I si tanqueu un circuit d'aquest tipus a una resistència, hi passarà un corrent. el circuit, és a dir, hi haurà una conversió directa de l'energia tèrmica en energia elèctrica.
El coeficient de Seebeck, com va dir Volta, depèn de la naturalesa dels metalls implicats en aquest termoparell. Els valors de ThermoEMF per a diversos termoparells es mesuren en microvolts per grau.
Si agafeu un filferro d'anell format per dos metalls diferents A i B units en dos llocs i escalfeu una de les unions a la temperatura T1 de manera que la temperatura T1 sigui més alta que T2 (la temperatura de la segona unió), aleshores en calent contacte el corrent es dirigirà del metall B al metall A, i en fred - del metall A al metall B. El camp termoelectromagnètic del metall A en aquest cas es considera positiu respecte al metall B.
Tots els metalls coneguts tenen els seus propis valors de coeficients de thermoEMF, es poden disposar consecutivament en una columna de manera que cada metall mostri un thermoEMF positiu en relació amb el següent.
Per exemple, aquí hi ha una llista del thermoEMF (expressat en mil·livolts) que es produirà quan els metalls especificats es combinen amb platí amb una diferència de temperatura de contacte de 100 graus:
Amb l'ajuda de les dades proporcionades, és possible determinar quin tipus de termoEMF es produirà si, per exemple, el coure i l'alumini estan connectats i la diferència de temperatura del contacte es manté a 100 graus. N'hi ha prou amb restar el valor termoEMF més petit del més gran. Per tant, un parell de coure-alumini amb una diferència de temperatura de 100 graus donarà una termoEMF igual a 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).
Els generadors termoelèctrics basats en metalls purs no són eficients (la seva eficiència és d'aproximadament l'1%), per la qual cosa no s'utilitzen molt. Cal destacar, però, els convertidors termoelèctrics de semiconductors, que mostren una eficiència de fins a un 7%.
Es basen en semiconductors altament dopats, solucions sòlides a base de calcogenurs del grup V. Per mantenir el costat "calent" a una temperatura constant, són adequades la llum solar o la calor d'un forn preescalfat.
Aquests dispositius són aplicables com a fonts d'energia alternatives en llocs remots: fars, estacions meteorològiques, naus espacials, boies de navegació, repetidors actius, estacions per a la protecció anticorrosiva de gasoductes i petroli.
Els principals avantatges dels generadors termoelèctrics són l'absència de peces mòbils, el funcionament silenciós, la mida relativament petita i la facilitat d'ajust. El seu principal inconvenient: una eficiència extremadament baixa al voltant del 6%, neutralitza aquests avantatges.