เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก Seebeck: มันคืออะไร? เทอร์โมคัปเปิลและเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกทำงานอย่างไร

หากแท่งโลหะสองแท่งที่ทำจากโลหะต่างกันถูกกดเข้าหากันแน่น จะเกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้นและความต่างศักย์ที่สอดคล้องกันเมื่อสัมผัสกัน

ปรากฏการณ์นี้เกิดจากความแตกต่างของค่าฟังก์ชันการทำงานของอิเล็กตรอนจากโลหะซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโลหะทั้งสองที่สัมผัสกัน ฟังก์ชันการทำงานของอิเล็กตรอนจากโลหะ (หรือเรียกง่ายๆ ว่าฟังก์ชันการทำงาน) เป็นงานที่ต้องใช้เพื่อเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของโลหะไปยังสุญญากาศรอบๆ

ในทางปฏิบัติ ยิ่งฟังก์ชันการทำงานมีขนาดใหญ่เท่าใด ความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะข้ามส่วนต่อประสานก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เป็นผลให้ปรากฎว่ามีประจุลบสะสมที่ด้านข้างของหน้าสัมผัสซึ่งเป็นที่ตั้งของโลหะที่มีฟังก์ชันการทำงานที่สูงกว่า (!) และประจุบวกจะสะสมที่ด้านข้างของโลหะที่มีฟังก์ชันการทำงานที่ต่ำกว่า

อเลสซานโดร โวลตา นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้สังเกตปรากฏการณ์นี้และอธิบายไว้ จากประสบการณ์เขาได้อนุมานกฎสองข้อที่รู้จักกันในปัจจุบันว่า กฎของโวลตา.

กฎข้อที่หนึ่งของ Volta มีลักษณะดังนี้: เมื่อโลหะสองชนิดสัมผัสกัน ความต่างศักย์จะเกิดขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีและอุณหภูมิของรอยต่อ

กฎข้อที่สองของ Volta: ความต่างศักย์ที่ปลายสายที่ต่ออนุกรมกันไม่ได้ขึ้นอยู่กับสายกลาง และจะเท่ากับความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นเมื่อต่อสายนอกสุดที่อุณหภูมิเดียวกัน

จากมุมมองของทฤษฎีอิเล็กตรอนแบบคลาสสิก ผลลัพธ์ที่ผิดปกติของการทดลองของ Volta อธิบายได้ค่อนข้างง่าย หากเราใช้ศักยภาพภายนอกโลหะเป็นศูนย์ แล้วภายในโลหะนั้นมีศักยภาพหรือไม่ พลังงาน I ของอิเล็กตรอนเทียบกับสุญญากาศจะเท่ากับ:

เมื่อนำโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันซึ่งมีฟังก์ชันการทำงาน A1 และ A2 มาสัมผัสกัน เราจะสังเกตการเปลี่ยนแปลงที่มากเกินไปของอิเล็กตรอนจากโลหะตัวที่สองซึ่งมีฟังก์ชันการทำงานที่ต่ำกว่าไปยังโลหะตัวแรก ซึ่งฟังก์ชันการทำงานจะมากกว่า

จากผลของการเปลี่ยนแปลงนี้ ความเข้มข้น (n1) ของอิเล็กตรอนในโลหะชนิดแรกจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความเข้มข้นของอิเล็กตรอนในโลหะชนิดที่สอง (n2) ซึ่งจะทำให้เกิดการย้อนกลับของการไหลของก๊าซอิเล็กตรอนที่พุ่งเข้าหา การไหลที่เกิดจากความแตกต่างของหน้าที่การทำงาน

ในสภาวะสมดุลที่ขอบเขตของโลหะสองชนิด ความต่างศักย์ต่อไปนี้จะถูกสร้างขึ้น:

ค่าของความต่างศักย์คงที่สามารถกำหนดได้ดังนี้:

ปรากฏการณ์นี้ซึ่งความต่างศักย์ของการสัมผัสเกิดขึ้นซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างชัดเจนเรียกว่า เทอร์โมอิเล็กทริก เอฟเฟ็กต์ หรือ ซีเบค เอฟเฟ็กต์… เอฟเฟ็กต์ Seebeck รองรับการทำงานของเทอร์โมคัปเปิลและเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก

เทอร์โมคัปเปิลประกอบด้วยสองทางเชื่อมของโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันถ้าทางแยกทางใดทางหนึ่งถูกรักษาไว้ที่อุณหภูมิสูงกว่าอีกทางหนึ่ง แสดงว่าก เทอร์โมอีเอ็มเอฟ:

เทอร์โมคัปเปิลใช้ในการวัดอุณหภูมิ และแบตเตอรี่ที่ได้จากเทอร์โมคัปเปิลต่างๆ สามารถใช้เป็นแหล่ง EMF หรือแม้แต่เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก

ในเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กตริกเมื่อทางแยกของโลหะสองชนิดถูกให้ความร้อนระหว่างตัวนำอิสระซึ่งอยู่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจะเกิดความแตกต่างของศักย์เทอร์โมอิเล็กตริกหรือเทอร์โมอีเอ็มเอฟ และถ้าคุณปิดวงจรดังกล่าวไปที่ความต้านทาน กระแสจะไหลเข้า วงจรนั่นคือจะมีการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง

ค่าสัมประสิทธิ์ Seebeck ดังที่ Volta กล่าว ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของโลหะที่เกี่ยวข้องกับเทอร์โมคัปเปิลนี้ ค่า ThermoEMF สำหรับเทอร์โมคัปเปิลต่างๆ วัดเป็นไมโครโวลต์ต่อองศา

หากคุณนำลวดวงแหวนที่ประกอบด้วยโลหะ A และ B สองตัวที่ต่างกันมาเชื่อมต่อกันที่จุดสองแห่งและให้ความร้อนที่จุดเชื่อมต่อหนึ่งไปยังอุณหภูมิ T1 เพื่อให้อุณหภูมิ T1 สูงกว่า T2 (อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อที่สอง) จากนั้นในที่ร้อน การสัมผัส กระแสจะถูกส่งตรงจากโลหะ B ไปยังโลหะ A และในที่เย็น - จากโลหะ A ไปยังโลหะ B สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของโลหะ A ในกรณีนี้ถือเป็นบวกเมื่อเทียบกับโลหะ B

โลหะที่รู้จักทั้งหมดมีค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมอีเอ็มเอฟของตัวเอง พวกมันสามารถจัดเรียงติดต่อกันในคอลัมน์เพื่อให้โลหะแต่ละชนิดแสดงเทอร์โมอีเอ็มเอฟที่เป็นบวกซึ่งสัมพันธ์กับสิ่งต่อไปนี้

ตัวอย่างเช่น นี่คือรายการของ thermoEMF (แสดงหน่วยเป็นมิลลิโวลต์) ซึ่งจะเป็นผลเมื่อโลหะที่ระบุถูกรวมเข้าด้วยกันกับแพลทินัมที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิสัมผัส 100 องศา:

ด้วยความช่วยเหลือของข้อมูลที่กำหนด เป็นไปได้ที่จะกำหนดว่าเทอร์โมอีเอ็มเอฟชนิดใดที่จะเกิดขึ้นหากเชื่อมต่อทองแดงและอลูมิเนียมและความแตกต่างของอุณหภูมิของหน้าสัมผัสจะอยู่ที่ 100 องศา ก็เพียงพอแล้วที่จะลบค่า thermoEMF ที่เล็กกว่าออกจากค่าที่ใหญ่กว่า ดังนั้น คู่ทองแดง-อะลูมิเนียมที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิ 100 องศาจะให้ค่าเทอร์โมอีเอ็มเอฟเท่ากับ 0.74 — 0.38 = 0.36 (mV)

เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกที่ใช้โลหะบริสุทธิ์ไม่มีประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพประมาณ 1%) ดังนั้นจึงไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลาย เป็นที่น่าสังเกตว่าคอนเวอร์เตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งแสดงประสิทธิภาพสูงถึง 7%

พวกเขาขึ้นอยู่กับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการเจือปนสูง, สารละลายที่เป็นของแข็งขึ้นอยู่กับกลุ่ม V chalcogenides เพื่อให้ด้าน "ร้อน" อยู่ในอุณหภูมิคงที่แสงแดดหรือความร้อนของเตาอบที่อุ่นไว้จะเหมาะสม

อุปกรณ์ดังกล่าวใช้เป็นแหล่งพลังงานทางเลือกในพื้นที่ห่างไกล: ประภาคาร สถานีตรวจอากาศ ยานอวกาศ ทุ่นนำทาง เครื่องทวนสัญญาณแบบแอคทีฟ สถานีป้องกันการกัดกร่อนของท่อส่งน้ำมันและก๊าซ

ข้อได้เปรียบหลักของเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกคือการไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การทำงานที่เงียบ ขนาดค่อนข้างเล็ก และการปรับที่ง่าย ข้อเสียเปรียบหลักของพวกเขา — ประสิทธิภาพต่ำมากในพื้นที่ 6% ทำให้ข้อดีเหล่านี้เป็นกลาง