تأثير سيبيك الكهروحراري: ما هو؟ كيفية عمل وتشغيل المزدوجات الحرارية والمولدات الكهروحرارية

إذا تم الضغط بإحكام على قضيبين مصنوعين من معادن مختلفة معًا ، فستتشكل طبقة كهربائية مزدوجة وفرق جهد مقابل عند ملامستها.

ترجع هذه الظاهرة إلى الاختلاف في قيم وظيفة عمل الإلكترونات من المعدن ، وهي خاصية مميزة لكل من المعدنين المتصلين. وظيفة عمل الإلكترونات من المعدن (أو ببساطة وظيفة العمل) هي العمل الذي يجب أن ينفق لنقل إلكترون من سطح المعدن إلى الفراغ المحيط.

في الممارسة العملية ، كلما زادت وظيفة العمل ، انخفض احتمال عبور الإلكترونات للواجهة. نتيجة لذلك ، اتضح أن شحنة سالبة تتراكم على جانب التلامس ، حيث يوجد المعدن ذي وظيفة عمل أعلى (!) ، وتتراكم شحنة موجبة على جانب المعدن بوظيفة عمل أقل.

لاحظ الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا هذه الظاهرة ووصفها. من التجربة استنتج قانونين معروفين اليوم باسم قوانين فولتا.

يبدو قانون فولتا الأول على هذا النحو: عند ملامسة معدنين مختلفين ، ينشأ فرق جهد ، والذي يعتمد على الطبيعة الكيميائية ودرجة حرارة التقاطعات.

قانون فولتا الثاني: لا يعتمد فرق الجهد في نهايات الأسلاك المتصلة بالسلسلة على الأسلاك الوسيطة ويساوي فرق الجهد الذي يحدث عندما يتم توصيل الأسلاك الخارجية بنفس درجة الحرارة.

من وجهة نظر نظرية الإلكترون الكلاسيكية ، تم شرح النتائج غير العادية لتجربة فولتا بكل بساطة. إذا أخذنا الإمكانات خارج المعدن على أنها صفر ، إذن داخل المعدن مع وجود احتمال؟ ستكون طاقة الإلكترون بالنسبة إلى الفراغ مساوية لـ:

من خلال الجمع بين معدنين مختلفين لهما وظائف عمل A1 و A2 ، سنلاحظ انتقالًا مفرطًا للإلكترونات من المعدن الثاني ، مع وظيفة عمل أقل ، إلى المعدن الأول ، الذي تكون وظيفة العمل فيه أكبر.

نتيجة لهذا الانتقال ، سيزداد تركيز الإلكترونات (n1) في المعدن الأول مقارنةً بتركيز الإلكترونات في المعدن الثاني (n2) ، مما سيولد فائضًا عكسيًا من التدفق المنتشر لغازات الإلكترون الموجهة ضد التدفق الناجم عن الاختلاف في وظائف العمل.

في حالة التوازن عند حدود معدنين ، سيتم إنشاء فرق الجهد التالي:

يمكن تحديد قيمة فرق الجهد الثابت على النحو التالي:

تسمى هذه الظاهرة ، التي يحدث فيها اختلاف في جهد التلامس ، والتي تعتمد بشكل واضح على درجة الحرارة التأثير الكهروحراري أو تأثير سيبيك... يكمن تأثير سيبيك في عمل المزدوجات الحرارية والمولدات الكهروحرارية.

تتكون المزدوجة الحرارية من تقاطعين من معدنين مختلفين.إذا تم الحفاظ على أحد التقاطعات عند درجة حرارة أعلى من الأخرى ، عندئذٍ أ ثيرمويمف:

تُستخدم المزدوجات الحرارية لقياس درجة الحرارة ، ويمكن استخدام البطاريات المشتقة من المزدوجات الحرارية المختلفة كمصادر EMF وحتى المولدات الكهروحرارية.

في المولد الكهروحراري ، عندما يتم تسخين تقاطع معدنين مختلفين ، بين الموصلات الحرة الموجودة عند درجة حرارة منخفضة ، يحدث فرق الجهد الكهروحراري أو EMF. وإذا أغلقت مثل هذه الدائرة لمقاومة ، فسوف يتدفق تيار في الدائرة ، أي سيكون هناك تحويل مباشر للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.

يعتمد معامل سيبيك ، كما قال فولتا ، على طبيعة المعادن المتضمنة في هذه المزدوجة الحرارية. يتم قياس قيم ThermoEMF لمختلف المزدوجات الحرارية في microvolts لكل درجة.

إذا كنت تأخذ سلكًا دائريًا مكونًا من معدنين مختلفين A و B متصلين في مكانين وقمت بتسخين أحد التقاطعات لدرجة الحرارة T1 بحيث تكون درجة الحرارة T1 أعلى من T2 (درجة حرارة التقاطع الثاني) ، ثم في الحرارة الساخنة التلامس سيتم توجيه التيار من المعدن B إلى المعدن A ، وفي البرد - من المعدن A إلى المعدن B. يعتبر المجال الكهرومغناطيسي الحراري للمعدن A في هذه الحالة موجبًا فيما يتعلق بالمعدن B.

جميع المعادن المعروفة لها قيمها الخاصة لمعاملات thermoEMF ، ويمكن ترتيبها على التوالي في عمود بحيث يظهر كل معدن EMF موجبًا فيما يتعلق بما يلي.

على سبيل المثال ، فيما يلي قائمة بـ thermoEMF (معبرًا عنه بالميليفولت) الذي سينتج عندما يتم دمج المعادن المحددة مع البلاتين مع اختلاف درجة حرارة التلامس بمقدار 100 درجة:

بمساعدة البيانات المقدمة ، من الممكن تحديد نوع EMF الحراري الذي سيظهر إذا تم ، على سبيل المثال ، توصيل النحاس والألمنيوم وتم الحفاظ على اختلاف درجة حرارة التلامس عند 100 درجة. يكفي طرح قيمة thermoEMF الأصغر من القيمة الأكبر. لذا ، فإن زوجًا من النحاس والألومنيوم بفارق درجة حرارة 100 درجة سيعطي معامل حراري EMF يساوي 0.74 - 0.38 = 0.36 (بالسيارات).

المولدات الكهروحرارية القائمة على معادن نقية ليست فعالة (تبلغ كفاءتها حوالي 1٪) ، لذا فهي غير مستخدمة على نطاق واسع. وتجدر الإشارة ، مع ذلك ، إلى المحولات الكهروحرارية لأشباه الموصلات ، والتي تظهر كفاءة تصل إلى 7٪.

وهي تعتمد على أشباه موصلات مخدرة بدرجة عالية ، ومحاليل صلبة تعتمد على الكالكوجينيدات من المجموعة V. وللحفاظ على الجانب "الساخن" عند درجة حرارة ثابتة ، فإن ضوء الشمس أو حرارة فرن مسخن مناسب.

هذه الأجهزة قابلة للتطبيق كمصادر طاقة بديلة في المواقع البعيدة: المنارات ومحطات الطقس والمركبات الفضائية وعوامات الملاحة وأجهزة إعادة الإرسال النشطة ومحطات الحماية من التآكل لأنابيب النفط والغاز.

تتمثل المزايا الرئيسية للمولدات الكهروحرارية في عدم وجود أجزاء متحركة وتشغيل هادئ وصغر الحجم نسبيًا وسهولة التعديل. عيبهم الرئيسي - كفاءة منخفضة للغاية في منطقة 6 ٪ ، يحيد هذه المزايا.