El efecto termoeléctrico Seebeck: ¿qué es? Cómo funcionan y funcionan los termopares y los generadores termoeléctricos
Si dos varillas hechas de diferentes metales se presionan fuertemente, entonces se formará una doble capa eléctrica y una diferencia de potencial correspondiente al contacto.
Este fenómeno se debe a la diferencia en los valores de la función de trabajo de los electrones del metal, característica de cada uno de los dos metales en contacto. La función de trabajo de los electrones del metal (o simplemente la función de trabajo) es el trabajo que se debe gastar para mover un electrón desde la superficie del metal hacia el vacío circundante.
En la práctica, cuanto mayor sea la función de trabajo, menor será la probabilidad de que los electrones puedan cruzar la interfaz. Como resultado, resulta que se acumula una carga negativa en el lado del contacto, donde se encuentra el metal con una función de trabajo más alta (!), y una carga positiva se acumula en el lado del metal con una función de trabajo más baja.
El físico italiano Alessandro Volta observó este fenómeno y lo describió. De la experiencia dedujo dos leyes conocidas hoy como Leyes de Volta.
La primera ley de Volta suena así: al contacto de dos metales diferentes, surge una diferencia de potencial, que depende de la naturaleza química y la temperatura de las uniones.
Segunda ley de Volta: la diferencia de potencial en los extremos de los cables conectados en serie no depende de los cables intermedios y es igual a la diferencia de potencial que se produce cuando los cables más externos están conectados a la misma temperatura.
Desde el punto de vista de la teoría electrónica clásica, los resultados inusuales del experimento de Volta se explican de manera muy simple. Si tomamos el potencial fuera del metal como cero, ¿entonces dentro del metal hay un potencial? La energía I del electrón relativa al vacío será igual a:
Poniendo en contacto dos metales diferentes con funciones de trabajo A1 y A2, observaremos una excesiva transición de electrones del segundo metal, con menor función de trabajo, al primer metal, cuya función de trabajo es mayor.
Como resultado de esta transición, la concentración (n1) de electrones en el primer metal aumentará con respecto a la concentración de electrones en el segundo metal (n2), lo que generará un exceso inverso de un flujo difuso de electrones gaseosos dirigidos contra el flujo causado por la diferencia en las funciones de trabajo.
En un estado de equilibrio en la frontera de dos metales, se establecerá la siguiente diferencia de potencial:
El valor de la diferencia de potencial estacionaria se puede determinar de la siguiente manera:
Este fenómeno, en el que se produce una diferencia de potencial de contacto, que obviamente depende de la temperatura, se denomina efecto termoeléctrico o efecto Seebeck… El efecto Seebeck subyace en el funcionamiento de termopares y generadores termoeléctricos.
Un termopar consta de dos uniones de dos metales diferentes.Si una de las uniones se mantiene a una temperatura más alta que la otra, entonces termoEMF:
Los termopares se usan para medir la temperatura, y las baterías derivadas de varios termopares se pueden usar como fuentes EMF e incluso como generadores termoeléctricos.
En un generador termoeléctrico, cuando se calienta la unión de dos metales diferentes, entre los conductores libres ubicados a una temperatura más baja, se produce una diferencia de potencial termoeléctrico o termoEMF Y si cierra un circuito de este tipo a una resistencia, fluirá una corriente en el circuito, es decir, habrá una conversión directa de energía térmica en energía eléctrica.
El coeficiente de Seebeck, como dijo Volta, depende de la naturaleza de los metales involucrados en este termopar. Los valores de ThermoEMF para varios termopares se miden en microvoltios por grado.
Si toma un anillo de alambre compuesto por dos metales diferentes A y B unidos en dos lugares y calienta una de las uniones a la temperatura T1 de modo que la temperatura T1 sea más alta que la T2 (la temperatura de la segunda unión), entonces en el caliente contacto, la corriente se dirigirá del metal B al metal A, y en frío, del metal A al metal B. El campo termoelectromagnético del metal A en este caso se considera positivo con respecto al metal B.
Todos los metales conocidos tienen sus propios valores de coeficientes termoEMF, se pueden organizar consecutivamente en una columna para que cada metal muestre un termoEMF positivo en relación con el siguiente.
Por ejemplo, aquí hay una lista de la termoEMF (expresada en milivoltios) que resultará cuando los metales especificados se combinen con platino con una diferencia de temperatura de contacto de 100 grados:
Con la ayuda de los datos proporcionados, es posible determinar qué tipo de termoEMF resultará si, por ejemplo, se conectan cobre y aluminio y la diferencia de temperatura del contacto se mantiene a 100 grados. Es suficiente restar el valor termoEMF más pequeño del más grande. Por lo tanto, un par de cobre y aluminio con una diferencia de temperatura de 100 grados dará una termoEMF igual a 0,74 — 0,38 = 0,36 (mV).
Los generadores termoeléctricos a base de metales puros no son eficientes (su eficiencia es de alrededor del 1%), por lo que no se utilizan mucho. Vale la pena señalar, sin embargo, los convertidores termoeléctricos de semiconductores, que muestran una eficiencia de hasta el 7%.
Se basan en semiconductores altamente dopados, soluciones sólidas a base de calcogenuros del grupo V. Para mantener el lado "caliente" a una temperatura constante, son adecuados la luz solar o el calor de un horno precalentado.
Dichos dispositivos son aplicables como fuentes de energía alternativa en sitios remotos: faros, estaciones meteorológicas, naves espaciales, boyas de navegación, repetidores activos, estaciones para la protección anticorrosiva de oleoductos y gasoductos.
Las principales ventajas de los generadores termoeléctricos son la ausencia de partes móviles, funcionamiento silencioso, tamaño relativamente pequeño y facilidad de ajuste. Su principal inconveniente, una eficiencia extremadamente baja en la región del 6%, neutraliza estas ventajas.