Термоэлектрические явления

В 1821 г. Т.Зеебеком было открыто явление, названное термоэлектрическим эффектом. Оно основано на зависимости контактной разности потенциалов от тем­пературы и заключается в следующем: если спаи двух разнородных металлов, обра­зующих замкнутую цепь, поддерживать при различных температурах, то в такой цепи возникает электрический ток.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводни­ков 1 и 2 (рис.3.2) Электродвижущая сила e в этой цепи равна алгебраической сумме всех скачков потенциала: .

Если температура спаев одинакова, т.е. Т_а=Т_б, скачки по­тенциала в спаях одинаковы по величине и противополож­ны по знаку и e=0 (см. I закон Вольты). Если температуры спаев а и б различные, например Т_а>Т_б,, то контактная раз­ность потенциалов в горячем спае будет больше, чем в хо­лодном > . В результате в цепи появляется электродвижущая сила e¹0, назы­ваемая термоэлектродвижещей силой. Исполь­зуя формулу для контактной разности потенциалов, получим

или , где коэффициент - постоянная величина для данной пары металлов.

С появлением э.д.с. в цепи возникает электрический ток, направление которо­го при < указано на рисунке стрелкой. Для поддержания постоянного тока в цепи необходимо поддерживать постоянную разность температур. В этом случае происходит преобразование внутренней тепловой энергии системы в электрическую. При Т_а-Т_б=100 К термоэлектродвижущая сила не превышает нескольких милливольт.

Замкнутая цепь проводников, создающая электрический ток за счет различия температур контактов между проводниками, называется термоэлементом или тер­мопарой. Термопара, вследствие своей большой термопрочности, служит для измерения температуры в очень широком интервале - от десятков до тысяч градусов. Она обладает большой чувствительностью, позволяя из­мерять очень малые разности температур (до 10^-6 К). Термопара, вследствие малых размеров спая, может измерять температуру малых объемов. Кроме того, за счет использования подводящих проводов, связывающих термопару с измерителем тока или э.д.с., термоэлектрический тер­мометр допускает дис­танцион­ные измерения. Для увеличения термо-э.д.с. термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи. Э.д.с. такой батареи равна сумме э.д.с. отдельных элементов. Посред­ством термобатареи можно обнаружить, например, невидимое тепловое излучение человека, находящегося в нескольких метрах от термобатареи.

В 1834 г. Ж.Пельтье обнаружил явление, обратное термоэффекту. Если по замк­нутой цепи, составленной из двух разнородных проводников 1 и 2, пропускать ток, то один из спаев нагре­вается, другой - охлаждается. На рис.3.3 показана замкнутая цепь, состоящая из двух разнородных проводников с по­парно спаянными концами и источник тока e.

Предположим, что металлы 1 и 2 подобраны таким образом, что при их контакте первый зарядится положите­льно, второй - отрицательно. Контактные электрические поля Е, в данном случае, будут направлены так, как указа­но на рис.3.3. Поскольку ток в рассматриваемом случае идет по часовой стрелке (так подключена э.д.с.), то движение электронов в цепи происходит в противоположном на­правлении. В спае б движение электронов ускоряется полем контакта, и кинетическая энер­гия электронов возрастает за счет энергии спая. Поэтому спай б охлаждается. В спае а поле контакта замедляет движение электронов. Следовательно, электроны отдают свою энергию спаю. За счет этой энергии спай а на­гревается. Эффект Пельтье можно использовать для устройства холодильной машины, однако к.п.д. таких холодильников мало.