O efeito Seebeck termoelétrico: o que é? Como termopares e geradores termoelétricos funcionam e operam

Se duas hastes feitas de metais diferentes forem pressionadas juntas, uma dupla camada elétrica e uma diferença de potencial correspondente se formarão em seu contato.

Esse fenômeno se deve à diferença nos valores da função trabalho dos elétrons do metal, característica de cada um dos dois metais em contato. A função de trabalho dos elétrons do metal (ou simplesmente a função de trabalho) é o trabalho que deve ser gasto para mover um elétron da superfície do metal para o vácuo circundante.

Na prática, quanto maior a função de trabalho, menor a probabilidade de que os elétrons possam atravessar a interface. Como resultado, verifica-se que uma carga negativa se acumula no lado do contato, onde está localizado o metal com maior (!) Função de trabalho, e uma carga positiva se acumula no lado do metal com menor função de trabalho.

O físico italiano Alessandro Volta observou esse fenômeno e o descreveu. Da experiência ele deduziu duas leis conhecidas hoje como Leis de Volta.

A primeira lei de Volta soa assim: no contato de dois metais diferentes, surge uma diferença de potencial, que depende da natureza química e da temperatura das junções.

Segunda lei de Volta: a diferença de potencial nas extremidades dos fios conectados em série não depende dos fios intermediários e é igual à diferença de potencial que ocorre quando os fios mais externos são conectados na mesma temperatura.

Do ponto de vista da teoria clássica do elétron, os resultados incomuns do experimento de Volta são explicados de maneira bastante simples. Se tomarmos o potencial fora do metal como zero, então dentro do metal com um potencial? A energia I do elétron em relação ao vácuo será igual a:

Colocando em contato dois metais diferentes com funções de trabalho A1 e A2, observaremos uma transição excessiva de elétrons do segundo metal, com função de trabalho menor, para o primeiro metal, cuja função de trabalho é maior.

Como resultado dessa transição, a concentração (n1) de elétrons no primeiro metal aumentará em relação à concentração de elétrons no segundo metal (n2), o que gerará um excesso reverso de um fluxo difuso de gases de elétrons direcionados contra o fluxo causado pela diferença nas funções de trabalho.

Em um estado de equilíbrio na fronteira de dois metais, a seguinte diferença de potencial será estabelecida:

O valor da diferença de potencial estacionária pode ser determinado da seguinte forma:

Este fenômeno, no qual ocorre uma diferença de potencial de contato, que obviamente depende da temperatura, é chamado efeito termoelétrico ou efeito Seebeck… O efeito Seebeck é a base da operação de termopares e geradores termoelétricos.

Um termopar consiste em duas junções de dois metais diferentes.Se uma das junções for mantida a uma temperatura mais alta que a outra, então uma termoEMF:

Termopares são usados ​​para medir temperatura, e baterias derivadas de vários termopares podem ser usadas como fontes EMF e até mesmo geradores termoelétricos.

Em um gerador termoelétrico, quando a junção de dois metais diferentes é aquecida, entre os condutores livres localizados a uma temperatura mais baixa, ocorre uma diferença de potencial termoelétrico ou termoEMF. E se você fechar esse circuito a uma resistência, uma corrente fluirá em circuito, ou seja, haverá uma conversão direta de energia térmica em energia elétrica.

O coeficiente de Seebeck, como disse Volta, depende da natureza dos metais envolvidos neste termopar. Os valores de ThermoEMF para vários termopares são medidos em microvolts por grau.

Se você pegar um fio de anel composto de dois metais diferentes A e B unidos em dois lugares e aquecer uma das junções até a temperatura T1, de modo que a temperatura T1 seja maior que T2 (a temperatura da segunda junção), então no calor contato a corrente será direcionada do metal B para o metal A, e no frio - do metal A para o metal B. O campo termoeletromagnético do metal A, neste caso, é considerado positivo em relação ao metal B.

Todos os metais conhecidos têm seus próprios valores de coeficientes thermoEMF, eles podem ser dispostos consecutivamente em uma coluna para que cada metal mostre um thermoEMF positivo em relação ao seguinte.

Por exemplo, aqui está uma lista do termoEMF (expresso em milivolts) que resultará quando os metais especificados forem combinados com platina com uma diferença de temperatura de contato de 100 graus:

Com a ajuda dos dados fornecidos, é possível determinar que tipo de termoEMF resultará se, por exemplo, cobre e alumínio forem conectados e a diferença de temperatura do contato for mantida em 100 graus. É suficiente subtrair o menor valor de thermoEMF do maior. Assim, um par de cobre-alumínio com uma diferença de temperatura de 100 graus dará um termoEMF igual a 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Os geradores termoelétricos baseados em metais puros não são eficientes (sua eficiência é de cerca de 1%), portanto, não são amplamente utilizados. Vale destacar, porém, os conversores termoelétricos semicondutores, que apresentam eficiência de até 7%.

Eles são baseados em semicondutores altamente dopados, soluções sólidas baseadas em calcogenetos do grupo V. Para manter o lado "quente" a uma temperatura constante, a luz solar ou o calor de um forno pré-aquecido são adequados.

Tais dispositivos são aplicáveis ​​como fontes alternativas de energia em locais remotos: faróis, estações meteorológicas, naves espaciais, bóias de navegação, repetidores ativos, estações de proteção anticorrosiva de oleodutos e gasodutos.

As principais vantagens dos geradores termoelétricos são a ausência de partes móveis, operação silenciosa, tamanho relativamente pequeno e facilidade de ajuste. Sua principal desvantagem - eficiência extremamente baixa na região de 6%, neutraliza essas vantagens.