Термоэлектрические явления - Электричество и постоянный ток. Лекции.

                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. Та=Тб, 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 Та>Тб,,  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 Та-Тб=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.