Der thermoelektrische Seebeck-Effekt: Was ist das? Wie Thermoelemente und thermoelektrische Generatoren funktionieren und funktionieren

Wenn zwei Stäbe aus unterschiedlichen Metallen fest zusammengepresst werden, entsteht bei ihrem Kontakt eine doppelte elektrische Schicht und eine entsprechende Potentialdifferenz.

Dieses Phänomen ist auf den Unterschied in den Werten der Austrittsarbeit der Elektronen vom Metall zurückzuführen, der für jedes der beiden sich berührenden Metalle charakteristisch ist. Die Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Metall (oder einfach die Austrittsarbeit) ist die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron von der Oberfläche des Metalls in das umgebende Vakuum zu bewegen.

In der Praxis gilt: Je größer die Austrittsarbeit, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen die Grenzfläche passieren können. Dadurch stellt sich heraus, dass sich auf der Seite des Kontakts, auf der sich das Metall mit einer höheren (!) Austrittsarbeit befindet, eine negative Ladung und auf der Seite des Metalls mit einer niedrigeren Austrittsarbeit eine positive Ladung ansammelt.

Der italienische Physiker Alessandro Volta hat dieses Phänomen beobachtet und beschrieben. Aus Erfahrung leitete er zwei Gesetze ab, die heute als bekannt sind Voltas Gesetze.

Voltas erstes Gesetz klingt so: Beim Kontakt zweier verschiedener Metalle entsteht eine Potentialdifferenz, die von der chemischen Natur und der Temperatur der Verbindungsstellen abhängt.

Zweites Voltasches Gesetz: Die Potenzialdifferenz an den Enden in Reihe geschalteter Drähte hängt nicht von den Zwischendrähten ab und ist gleich der Potenzialdifferenz, die auftritt, wenn die äußersten Drähte bei gleicher Temperatur angeschlossen werden.

Aus der Sicht der klassischen Elektronentheorie lassen sich die ungewöhnlichen Ergebnisse von Voltas Experiment ganz einfach erklären. Wenn wir das Potenzial außerhalb des Metalls als Null annehmen, gibt es dann innerhalb des Metalls ein Potenzial? Die I-Energie des Elektrons relativ zum Vakuum ist gleich:

Wenn wir zwei verschiedene Metalle mit den Austrittsarbeiten A1 und A2 in Kontakt bringen, beobachten wir einen übermäßigen Übergang von Elektronen vom zweiten Metall mit einer niedrigeren Austrittsarbeit in das erste Metall, dessen Austrittsarbeit größer ist.

Als Ergebnis dieses Übergangs wird die Konzentration (n1) der Elektronen im ersten Metall im Vergleich zur Konzentration der Elektronen im zweiten Metall (n2) ansteigen, was einen umgekehrten Überschuss eines gegen das Metall gerichteten diffusen Stroms von Elektronengasen erzeugen wird Strömung, die durch den Unterschied in den Arbeitsfunktionen verursacht wird.

Im Gleichgewichtszustand an der Grenze zweier Metalle stellt sich folgende Potentialdifferenz ein:

Der Wert der stationären Potentialdifferenz lässt sich wie folgt ermitteln:

Dieses Phänomen, bei dem eine Kontaktpotentialdifferenz auftritt, die offensichtlich von der Temperatur abhängt, nennt man thermoelektrischer Effekt oder Seebeck-Effekt… Der Seebeck-Effekt liegt dem Betrieb von Thermoelementen und thermoelektrischen Generatoren zugrunde.

Ein Thermoelement besteht aus zwei Verbindungen aus zwei unterschiedlichen Metallen.Wenn eine der Verbindungen auf einer höheren Temperatur gehalten wird als die andere, dann a thermoEMF:

Thermoelemente werden zur Temperaturmessung verwendet, und von verschiedenen Thermoelementen abgeleitete Batterien können als EMF-Quellen und sogar als thermoelektrische Generatoren verwendet werden.

Wenn in einem thermoelektrischen Generator die Verbindung zweier verschiedener Metalle erhitzt wird, entsteht zwischen den freien Leitern, die sich auf einer niedrigeren Temperatur befinden, eine thermoelektrische Potentialdifferenz oder ThermoEMF. Und wenn Sie einen solchen Stromkreis mit einem Widerstand schließen, fließt ein Strom hinein der Stromkreis, d. h. es findet eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie statt.

Der Seebeck-Koeffizient hängt, wie Volta sagte, von der Art der Metalle ab, die an diesem Thermoelement beteiligt sind. ThermoEMF-Werte für verschiedene Thermoelemente werden in Mikrovolt pro Grad gemessen.

Wenn man einen Ringdraht nimmt, der aus zwei unterschiedlichen Metallen A und B besteht, die an zwei Stellen verbunden sind, und eine der Verbindungsstellen auf die Temperatur T1 erhitzt, sodass die Temperatur T1 höher ist als T2 (die Temperatur der zweiten Verbindungsstelle), dann im heißen Bei Kontakt wird der Strom von Metall B zu Metall A und bei Kälte von Metall A zu Metall B geleitet. Das thermoelektromagnetische Feld von Metall A wird in diesem Fall in Bezug auf Metall B als positiv angesehen.

Alle bekannten Metalle haben ihre eigenen Werte der ThermoEMF-Koeffizienten. Sie können nacheinander in einer Spalte angeordnet werden, sodass jedes Metall im Verhältnis zum folgenden eine positive ThermoEMF aufweist.

Hier ist zum Beispiel eine Liste der ThermoEMF (ausgedrückt in Millivolt), die sich ergibt, wenn die angegebenen Metalle zusammen mit Platin bei einer Kontakttemperaturdifferenz von 100 Grad kombiniert werden:

Anhand der angegebenen Daten kann ermittelt werden, welche Art von ThermoEMF entsteht, wenn beispielsweise Kupfer und Aluminium verbunden werden und die Temperaturdifferenz des Kontakts bei 100 Grad gehalten wird. Es reicht aus, den kleineren thermoEMF-Wert vom größeren abzuziehen. Ein Kupfer-Aluminium-Paar mit einem Temperaturunterschied von 100 Grad ergibt also eine ThermoEMF von 0,74 – 0,38 = 0,36 (mV).

Thermoelektrische Generatoren auf Basis reiner Metalle sind nicht effizient (ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 1 %), weshalb sie nicht weit verbreitet sind. Erwähnenswert sind jedoch thermoelektrische Halbleiterwandler, die einen Wirkungsgrad von bis zu 7 % aufweisen.

Sie basieren auf hochdotierten Halbleitern, festen Lösungen auf Basis von Chalkogeniden der Gruppe V. Um die „heiße“ Seite auf einer konstanten Temperatur zu halten, eignen sich Sonnenlicht oder die Hitze eines vorgeheizten Ofens.

Solche Geräte sind als alternative Energiequellen an abgelegenen Standorten einsetzbar: Leuchttürme, Wetterstationen, Raumfahrzeuge, Navigationsbojen, aktive Repeater, Stationen zum Korrosionsschutz von Öl- und Gaspipelines.

Die Hauptvorteile thermoelektrischer Generatoren sind das Fehlen beweglicher Teile, der leise Betrieb, die relativ geringe Größe und die einfache Einstellung. Ihr Hauptnachteil – der extrem niedrige Wirkungsgrad im Bereich von 6 % – macht diese Vorteile zunichte.