Термоэлектрические явления и их применение

Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из несколь­ких металлов, находящихся при одина­ковой температуре, э.д.с. не возникает, т. с. не происходит возбуждения электри­ческого тока. Однако если температура контактов не одинакова, то в цепи воз­никает электрический ток, называемый термоэлектрическим. Явление возбужде­ния термоэлектрического тока (явление Зеебека), а также тесно связанные с ним явления Пельтье и Томсона называются термоэлектрическими явлениями.

1)Явление Зеебека. Немецкий физик Т. Зеебек (1770 - 1831) обнаружил, что в замкнутой цепи, состоящей из последо­вательно соединенных разнородных про­водников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоя­щую из двух металлических проводни­ков 1 и 2 с температурами спаев Т₁, (контакт A) и Т₂ (контакт В), причем Т1 > Т₂ (рис. 149). Электродвижущая сила возникающая в цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:

Используя выражение (3), получим

 

Откуда

(4)

Таким образом, в замкнутой цепи появ­ляется э.д.с., прямо пропорциональная разности температур в контактах. Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой. Направление тока в рассматрива­емом случае при T₁ > Т₂ и n₁ > п₂ пока­зано на рис. 2 стрелкой.

Рис.2

Изменение знака у разности температур контактов приведет к изменению направления тока. Термоэлектродвижущая сила, например для пары металлов медь — константан. для разности температур 100 К состав­ляет всего 4,25 мВ.

Явление Зеебека не противоречит вто­рому началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергия преоб­разуется в электрическую, для чего ис­пользуется два источника теплоты (два контакта). Следовательно, для поддержа­ния постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоян­ство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного - не­прерывно ее отводить.

Явление Зеебека используется для измерения температур. Для этого приме­няются термоэлементы, или термопары - датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Если кон­такты (обычно спаи) проводников (прово­лок), образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая зависит от разности темпера­тур контактов и природы применяемых материалов. Чувствительность термопар выше, если их соединять после­довательно. Эти соединения называются термобатареями (или термостолбиками). Термопары применяются как для изме­рения ничтожно малых разностей тем­ператур, так и для измерения очень вы­соких и очень низких температур (на­пример, внутри доменных печей или жид­ких газов). Точность определения темпе­ратуры с помощью термопар составляет, как правило, несколько кельвин, а у не­которых термопар достигает ≈ 0.01 К. Термопары обладают рядом преимуществ перед обычными термометрами: имеют большую чувствительность и малую инер­ционность. позволяют проводить измере­ния в широком интервале температур и допускают дистанционные измерения.

Явление Зеебска в принципе может быть использовано для генерации элек­трического тока. Так. уже сейчас к.п.д. полупроводниковых термобатарей дости­гает ≈ 18%. Следовательно, совершен­ствуя полупроводниковые термоэлектро- генераторы, можно добиться эффектив­ного прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

2)Явление Пельтье. Французский физик Ж. Пельтье (1785 - 1845) обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от направления тока помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье явля­ется обратным по отношению к явлению Зеебска. В отличие от джоулевой теп­лоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорцио­нальна первой степени силы тока и ме­няет знак при изменении направления тока.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоя­щую из двух разнородных металличе­ских проводников 1 и 2 (рис. 3), по ко­торым пропускается ток I’ (его направле­ние в данном случае выбрано совпадаю­щим с направлением термотока (на рис. 2 при условии Т1 > Т₂)).

Рис.3

Согласно наблюдениям Пельтье, спай А, который при явлении Зеебека поддерживался бы при более высокой температуре, будет теперь охлаждаться, а спай В — на­греваться. При изменении направления тока I’спай А будет нагреваться, спай В - охлаждаться.

Объяснить явление Пельтье на основе классической теории можно следующим образом. Благодаря контактным разно­стям потенциалов в спаях А и В соз­даются контактные электрические поля с напряженностью Е (сплошные стрелки на рис.3). Направление движения элек­тронов (пунктирные стрелки) при задан­ном направлении тока в спас А совпа­дает с направлением ноля, в спас В - обратно полю. Следовательно, в спас В контактное ноле ускоряет электроны, уве­личивая их кинетическую энергию. Эти ускоренные электроны, сталкиваясь с ио­нами металла в спас В. передают им энергию, в результате чего внутренняя энергия спая В повышается и спай нагре­вается. Аналогично, в спас А электроны полем тормозятся и их кинетическая энергия уменьшается. При столкновениях с ионами металла в спас А эти электроны, наоборот, получают энергию от ионов, в результате чего внутренняя энергия спая А понижается и спай охлаждается.

Эффект Пельтье используется в термо­электрических полупроводниковых холо­дильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством Д. Ф. Иоффе, и в не­которых электронных приборах.

3)Явление Томсона. Вильям Томсон (Кельвин), исследуя термоэлектрические явления, пришел к заключению, подтвер­див его экспериментально, что при прохождении тока но неравномерно на­гретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление получило название явления Томсона. Его можно объяснить следующим образом. Так как в более нагретой части проводника электроны имеют боль­шую энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии ионам металла, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они. наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии ионов металла, в резуль­тате чего происходит поглощение тепло­ты Томсона.

Рассмотренные термоэлектрические яв­ления объяснены на основе элементарной классической теории, в основе которой лежит представление об электронном газе. Эта теория носит качественный характер и не дает правильного ответа на многие вопросы, ее результаты часто не согла­суются с опытными данными. Поэтому для объяснения этих явлений необходимо использовать квантовые представления.