L'effet thermoélectrique Seebeck : qu'est-ce que c'est ? Comment fonctionnent et fonctionnent les thermocouples et les générateurs thermoélectriques

Si deux tiges faites de métaux différents sont étroitement pressées ensemble, une double couche électrique et une différence de potentiel correspondante se formeront lors de leur contact.

Ce phénomène est dû à la différence des valeurs du travail de sortie des électrons du métal, caractéristique de chacun des deux métaux en contact. La fonction de travail des électrons du métal (ou simplement la fonction de travail) est le travail qui doit être dépensé pour déplacer un électron de la surface du métal dans le vide environnant.

En pratique, plus la fonction de travail est grande, plus la probabilité que des électrons puissent traverser l'interface est faible. En conséquence, il s'avère qu'une charge négative s'accumule du côté du contact, où se trouve le métal avec une fonction de travail supérieure (!), Et une charge positive s'accumule du côté du métal avec une fonction de travail inférieure.

Le physicien italien Alessandro Volta a observé ce phénomène et l'a décrit. De l'expérience, il a déduit deux lois connues aujourd'hui sous le nom de Les lois de Volta.

La première loi de Volta ressemble à ceci : au contact de deux métaux différents, une différence de potentiel se produit, qui dépend de la nature chimique et de la température des jonctions.

Deuxième loi de Volta : la différence de potentiel aux extrémités des fils connectés en série ne dépend pas des fils intermédiaires et est égale à la différence de potentiel qui se produit lorsque les fils les plus externes sont connectés à la même température.

Du point de vue de la théorie électronique classique, les résultats inhabituels de l'expérience de Volta s'expliquent assez simplement. Si nous prenons le potentiel à l'extérieur du métal comme zéro, alors à l'intérieur du métal avec un potentiel ? L'énergie I de l'électron par rapport au vide sera égale à :

En mettant en contact deux métaux différents de travail de sortie A1 et A2, on observera une transition excessive des électrons du deuxième métal, de travail de sortie plus faible, vers le premier métal, dont le travail de sortie est plus important.

Du fait de cette transition, la concentration (n1) d'électrons dans le premier métal va augmenter par rapport à la concentration d'électrons dans le second métal (n2), ce qui va générer un excès inverse d'un flux diffus de gaz d'électrons dirigé contre le flux causé par la différence des fonctions de travail.

Dans un état d'équilibre à la frontière de deux métaux, la différence de potentiel suivante s'établira :

La valeur de la différence de potentiel stationnaire peut être déterminée comme suit :

Ce phénomène, dans lequel se produit une différence de potentiel de contact, qui dépend évidemment de la température, est appelé effet thermoélectrique ou effet Seebeck… L'effet Seebeck sous-tend le fonctionnement des thermocouples et des générateurs thermoélectriques.

Un thermocouple est constitué de deux jonctions de deux métaux différents.Si l'une des jonctions est maintenue à une température plus élevée que l'autre, alors un thermoEMF:

Les thermocouples sont utilisés pour mesurer la température, et les batteries dérivées de divers thermocouples peuvent être utilisées comme sources EMF et même comme générateurs thermoélectriques.

Dans un générateur thermoélectrique, lorsque la jonction de deux métaux différents est chauffée, entre les conducteurs libres situés à une température inférieure, une différence de potentiel thermoélectrique ou thermoEMF se produit.Et si vous fermez un tel circuit à une résistance, un courant circulera dans le circuit, c'est-à-dire qu'il y aura une conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique.

Le coefficient Seebeck, comme l'a dit Volta, dépend de la nature des métaux impliqués dans ce thermocouple. Les valeurs ThermoEMF pour divers thermocouples sont mesurées en microvolts par degré.

Si vous prenez un fil d'anneau composé de deux métaux différents A et B joints en deux endroits et que vous chauffez l'une des jonctions à la température T1 de sorte que la température T1 soit supérieure à T2 (la température de la deuxième jonction), alors dans le chaud contact le courant sera dirigé du métal B vers le métal A, et dans le froid - du métal A vers le métal B. Le champ thermoélectromagnétique du métal A dans ce cas est considéré comme positif par rapport au métal B.

Tous les métaux connus ont leurs propres valeurs de coefficients thermoEMF, ils peuvent être disposés consécutivement dans une colonne de sorte que chaque métal montre un thermoEMF positif par rapport au suivant.

Par exemple, voici une liste des thermoEMF (exprimées en millivolts) qui se produiront lorsque les métaux spécifiés sont combinés avec du platine avec une différence de température de contact de 100 degrés :

À l'aide des données fournies, il est possible de déterminer quel type de thermoEMF se produira si, par exemple, le cuivre et l'aluminium sont connectés et que la différence de température du contact est maintenue à 100 degrés. Il suffit de soustraire la plus petite valeur thermoEMF de la plus grande. Ainsi, une paire cuivre-aluminium avec une différence de température de 100 degrés donnera un thermoEMF égal à 0,74 - 0,38 = 0,36 (mV).

Les générateurs thermoélectriques à base de métaux purs ne sont pas efficaces (leur rendement est d'environ 1%), ils sont donc peu utilisés. Il convient toutefois de noter les convertisseurs thermoélectriques à semi-conducteurs, qui affichent une efficacité pouvant atteindre 7%.

Ils sont à base de semi-conducteurs fortement dopés, solutions solides à base de chalcogénures du groupe V. Pour maintenir la face "chaude" à température constante, la lumière du soleil ou la chaleur d'un four préchauffé conviennent.

De tels dispositifs sont applicables comme sources d'énergie alternatives dans des sites éloignés : phares, stations météorologiques, engins spatiaux, bouées de navigation, répéteurs actifs, stations de protection anticorrosion des oléoducs et gazoducs.

Les principaux avantages des générateurs thermoélectriques sont l'absence de pièces mobiles, un fonctionnement silencieux, une taille relativement petite et une facilité de réglage. Leur principal inconvénient — un rendement extrêmement faible de l'ordre de 6 %, neutralise ces avantages.