열전기 제벡 효과란 무엇입니까? 열전대 및 열전 발전기 작동 및 작동 방식

서로 다른 금속으로 만들어진 두 개의 막대를 함께 단단히 누르면 접촉 시 이중 전기층과 이에 상응하는 전위차가 형성됩니다.

이 현상은 접촉하는 두 금속 각각의 특성인 금속에서 전자의 일함수 값의 차이 때문입니다. 금속에서 나온 전자의 일함수(또는 단순히 일함수)는 전자를 금속 표면에서 주변 진공으로 이동시키는 데 소비해야 하는 일입니다.

실제로는 일 함수가 클수록 전자가 인터페이스를 통과할 확률이 낮아집니다. 결과적으로 높은(!) 일함수를 가진 금속이 위치한 접촉면에 음전하가 축적되고 낮은 일함수를 가진 금속쪽에 양전하가 축적되는 것으로 밝혀졌다.

이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타는 이 현상을 관찰하고 기술했습니다. 그는 경험을 통해 오늘날 알려진 두 가지 법칙을 추론했습니다. 볼타의 법칙.

Volta의 첫 번째 법칙은 다음과 같이 들립니다. 두 개의 다른 금속이 접촉하면 접합부의 화학적 특성과 온도에 따라 전위차가 발생합니다.

볼타의 두 번째 법칙: 직렬 연결된 전선 끝의 전위차는 중간 전선에 의존하지 않으며 가장 바깥쪽 전선이 동일한 온도에서 연결될 때 발생하는 전위차와 같습니다.

고전 전자 이론의 관점에서 볼타 실험의 특이한 결과는 아주 간단하게 설명됩니다. 금속 외부의 전위를 0으로 취하면 금속 내부의 전위는? 진공에 대한 전자의 I 에너지는 다음과 같습니다.

일함수가 A1과 A2인 서로 다른 두 금속을 접촉시키면 일함수가 낮은 두 번째 금속에서 일함수가 큰 첫 번째 금속으로 전자가 과도하게 전이되는 것을 관찰할 수 있습니다.

이 전이의 결과로, 첫 번째 금속의 전자 농도(n1)는 두 번째 금속의 전자 농도(n2)에 비해 증가할 것이며, 이는 전자 가스의 확산 흐름의 역방향 초과를 생성합니다. 작동 기능의 차이로 인한 흐름.

두 금속의 경계에서 평형 상태에서 다음 전위차가 설정됩니다.

고정 전위차의 값은 다음과 같이 결정될 수 있습니다.

온도에 따라 분명히 달라지는 접촉 전위차가 발생하는 이러한 현상을 열전 효과 또는 제벡 효과… Seebeck 효과는 열전대 및 열전기 발전기 작동의 기초가 됩니다.

열전대는 서로 다른 두 금속의 두 접합으로 구성됩니다.접합부 중 하나가 다른 접합부보다 높은 온도로 유지되면 열EMF:

열전대는 온도를 측정하는 데 사용되며 다양한 열전쌍에서 파생된 배터리는 EMF 소스 및 열전 발전기로 사용할 수 있습니다.

열전 발전기에서 서로 다른 두 금속의 접합부가 가열되면 더 낮은 온도에 위치한 자유 도체 사이에 열전위차 또는 열기전력이 발생하고 이러한 회로를 저항에 닫으면 전류가 흐릅니다. 회로, 즉 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환합니다.

Volta가 말했듯이 Seebeck 계수는 이 열전대에 포함된 금속의 특성에 따라 달라집니다. 다양한 열전대의 ThermoEMF 값은 도당 마이크로볼트로 측정됩니다.

두 개의 다른 금속 A와 B가 두 곳에서 결합된 링 와이어를 가져오고 접합 중 하나를 온도 T1으로 가열하여 온도 T1이 T2(두 번째 접합의 온도)보다 높으면 고온에서 접촉 전류는 금속 B에서 금속 A로, 차가운 곳에서는 금속 A에서 금속 B로 향합니다. 이 경우 금속 A의 열전자기장은 금속 B에 대해 양의 값으로 간주됩니다.

알려진 모든 금속에는 고유한 thermoEMF 계수 값이 있으며 각 금속이 다음과 관련하여 양의 thermoEMF를 나타내도록 열에 연속적으로 배열할 수 있습니다.

예를 들어, 다음은 지정된 금속이 100도의 접촉 온도 차이로 백금과 함께 결합될 때 발생하는 thermoEMF(밀리볼트로 표현됨) 목록입니다.

주어진 데이터의 도움으로 예를 들어 구리와 알루미늄이 연결되고 접점의 온도차가 100도에서 유지되는 경우 어떤 종류의 thermoEMF가 나올지 결정할 수 있습니다. 큰 값에서 작은 열기전력 값을 빼면 충분합니다. 따라서 온도차가 100도인 구리-알루미늄 쌍은 0.74 — 0.38 = 0.36(mV)의 열기전력을 제공합니다.

순수 금속을 기반으로 하는 열전 발전기는 효율이 낮아(효율이 1% 정도) 널리 사용되지 않습니다. 그러나 최대 7%의 효율을 보이는 반도체 열전 변환기에 주목할 필요가 있습니다.

이들은 고도로 도핑된 반도체, V족 칼코게나이드를 기반으로 하는 고용체를 기반으로 합니다. "뜨거운" 면을 일정한 온도로 유지하려면 햇빛이나 예열된 오븐의 열이 적합합니다.

이러한 장치는 등대, 기상 관측소, 우주선, 항법 부표, 능동 중계기, 오일 및 가스 파이프라인의 부식 방지 보호 스테이션과 같은 원격 사이트의 대체 에너지원으로 적용할 수 있습니다.

열전 발전기의 주요 장점은 움직이는 부품이 없고 조용하게 작동하며 상대적으로 작은 크기와 조정 용이성입니다. 이들의 주요 단점은 6% 정도의 극도로 낮은 효율성으로 이러한 이점을 상쇄합니다.