Efek Seebeck termoelektrik: apa itu? Bagaimana termokopel dan generator termoelektrik bekerja dan beroperasi

Jika dua batang terbuat dari logam yang berbeda ditekan bersama-sama, maka lapisan listrik ganda dan perbedaan potensial yang sesuai akan terbentuk pada kontak mereka.

Fenomena ini disebabkan oleh perbedaan nilai fungsi kerja elektron dari logam, karakteristik masing-masing dari dua logam yang bersentuhan. Fungsi kerja elektron dari logam (atau hanya fungsi kerja) adalah kerja yang harus dikeluarkan untuk memindahkan elektron dari permukaan logam ke ruang hampa sekitarnya.

Dalam praktiknya, semakin besar fungsi kerja, semakin rendah probabilitas elektron dapat melewati antarmuka. Akibatnya, ternyata muatan negatif terakumulasi di sisi kontak, di mana logam dengan fungsi kerja yang lebih tinggi (!) berada, dan muatan positif terakumulasi di sisi logam dengan fungsi kerja yang lebih rendah.

Fisikawan Italia Alessandro Volta mengamati fenomena ini dan mendeskripsikannya. Dari pengalaman dia menyimpulkan dua hukum yang sekarang dikenal sebagai Hukum Volta.

Hukum pertama Volta terdengar seperti ini: pada kontak dua logam yang berbeda, timbul perbedaan potensial, yang bergantung pada sifat kimiawi dan suhu persimpangan.

Hukum kedua Volta: perbedaan potensial pada ujung kabel yang terhubung seri tidak tergantung pada kabel perantara dan sama dengan perbedaan potensial yang terjadi ketika kabel terluar dihubungkan pada suhu yang sama.

Dari sudut pandang teori elektron klasik, hasil eksperimen Volta yang tidak biasa dijelaskan dengan cukup sederhana. Jika kita mengambil potensial di luar logam sebagai nol, lalu di dalam logam dengan potensial? Energi I elektron relatif terhadap ruang hampa akan sama dengan:

Menghubungkan dua logam berbeda dengan fungsi kerja A1 dan A2, kita akan mengamati transisi elektron yang berlebihan dari logam kedua, dengan fungsi kerja yang lebih rendah, ke logam pertama, yang fungsi kerjanya lebih besar.

Sebagai hasil dari transisi ini, konsentrasi (n1) elektron pada logam pertama akan meningkat dibandingkan dengan konsentrasi elektron pada logam kedua (n2), yang akan menghasilkan aliran balik gas elektron berlebih yang diarahkan melawan aliran yang disebabkan oleh perbedaan fungsi kerja.

Dalam keadaan setimbang pada batas dua logam, beda potensial berikut akan terbentuk:

Nilai beda potensial stasioner dapat ditentukan sebagai berikut:

Fenomena ini, di mana terjadi perbedaan potensial kontak, yang jelas bergantung pada suhu, disebut efek termoelektrik atau efek Seebeck… Efek Seebeck mendasari pengoperasian termokopel dan generator termoelektrik.

Termokopel terdiri dari dua persimpangan dari dua logam yang berbeda.Jika salah satu persimpangan dipertahankan pada suhu yang lebih tinggi dari yang lain, maka a termoEMF:

Termokopel digunakan untuk mengukur suhu, dan baterai yang berasal dari berbagai termokopel dapat digunakan sebagai sumber EMF dan bahkan generator termoelektrik.

Dalam generator termoelektrik, ketika sambungan dua logam berbeda dipanaskan, antara konduktor bebas yang terletak pada suhu yang lebih rendah, terjadi perbedaan potensial termoelektrik atau termoEMF. Dan jika Anda menutup sirkuit seperti itu ke resistansi, maka arus akan mengalir masuk rangkaian, yaitu akan terjadi konversi langsung energi panas menjadi energi listrik.

Koefisien Seebeck, seperti kata Volta, bergantung pada sifat logam yang terlibat dalam termokopel ini. Nilai termokopel untuk berbagai termokopel diukur dalam mikrovolt per derajat.

Jika Anda mengambil kawat cincin yang terdiri dari dua logam berbeda A dan B yang disatukan di dua tempat dan panaskan salah satu sambungan ke suhu T1 sehingga suhu T1 lebih tinggi dari T2 (suhu sambungan kedua), maka di panas kontak arus akan diarahkan dari logam B ke logam A, dan dalam keadaan dingin - dari logam A ke logam B. Medan termoelektromagnetik logam A dalam hal ini dianggap positif terhadap logam B.

Semua logam yang diketahui memiliki nilai koefisien termoEMF sendiri, mereka dapat disusun secara berurutan dalam kolom sehingga setiap logam menunjukkan termoEMF positif dalam kaitannya dengan yang berikut ini.

Misalnya, berikut adalah daftar termoEMF (dinyatakan dalam milivolt) yang akan dihasilkan saat logam tertentu digabungkan bersama dengan platina dengan perbedaan suhu kontak 100 derajat:

Dengan bantuan data yang diberikan, dimungkinkan untuk menentukan jenis termoEMF apa yang dihasilkan jika, misalnya, tembaga dan aluminium dihubungkan dan perbedaan suhu kontak dipertahankan pada 100 derajat. Cukup dengan mengurangi nilai termoEMF yang lebih kecil dari yang lebih besar. Jadi, pasangan tembaga-aluminium dengan perbedaan suhu 100 derajat akan menghasilkan termoEMF sebesar 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).

Generator termoelektrik berbasis logam murni tidak efisien (efisiensinya sekitar 1%), sehingga tidak banyak digunakan. Perlu dicatat, bagaimanapun, konverter termoelektrik semikonduktor, yang menunjukkan efisiensi hingga 7%.

Mereka didasarkan pada semikonduktor yang sangat diolah, larutan padat berdasarkan kalkogenida grup V. Untuk menjaga sisi "panas" pada suhu konstan, sinar matahari atau panas oven yang dipanaskan sebelumnya cocok.

Perangkat semacam itu berlaku sebagai sumber energi alternatif di lokasi terpencil: mercusuar, stasiun cuaca, pesawat ruang angkasa, pelampung navigasi, repeater aktif, stasiun untuk perlindungan anti korosi pada pipa minyak dan gas.

Keuntungan utama generator termoelektrik adalah tidak adanya bagian yang bergerak, operasi yang tenang, ukuran yang relatif kecil dan kemudahan penyesuaian. Kelemahan utama mereka — efisiensi yang sangat rendah di wilayah 6%, menetralkan keunggulan ini.