Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 256
Скачиваний: 0
стержня, которые располагаются параллельно друг другу (рис. 309). Концы стержней попарно держатся при разных температурах. Сим метрия расположения, казалось бы, должна привести к тому, что в симметричных точках обоих стержней температура будет одинако вой. Однако в одном стержне ток идет от горячего конца к холодно му, а в другом — наоборот. Эффект Томсона приводит к тому, что соответственные точки стержней не будут находиться при равной
температуре. Горячее будет точка, расположен |
|
ЗСолоЪнбсй |
||||||
ная |
в стержне, где ток |
идет |
от |
горячего конца |
|
|||
|
|
|||||||
к холодному. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Количество выделяющегося за 1 с тепла на |
|
|
|||||
участке длиной dx может быть записано |
в виде |
|
|
|||||
|
dQ — ті |
^-dx; |
|
|
|
|
||
т — коэффициент |
пропорциональности. |
Количе |
|
|
||||
ство тепла тем больше, чем больше градиент тем- |
' |
3L § |
||||||
пературы. В термоэлектрической цепи существу |
|
|||||||
|
|
|||||||
ют |
одновременно |
три |
эффекта: |
возникновение |
|
|
||
термоэлектродвижущей |
силы, |
явления |
Пельтье |
|
|
|||
и Томсона. Можно показать, |
что эти три процес |
|
|
|||||
са связаны между собой началами термодинамики. |
|
|
||||||
Для слабых токов это не требует доказательст |
|
|
||||||
ва. |
Поскольку |
термоэлектрические |
эффекты |
|
|
|||
пропорциональны |
первой степени тока, |
а джоу- |
|
|
||||
лево тепло — второй, конечно, последним можно |
|
|
||||||
пренебречь. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р и мер. Концы стержня из натрия(т=—8,5- 10_ в В/К, |
|
|
|||||
р=5-10- 6 Ом-см) длиной |
10 см |
и |
поперечным сече- |
|
р и с 309 |
|||
нием 5 мм2 содержатся при температурах 300 К |
и 310 К. |
|
|
|||||
При пропускании по стержню тока /=0,5 мА от горячего конца к холодному благодаря эффекту Томсона в проводнике за единицу времени выделяется тепло
дТ
Q r = T / - ^ - / = — 8,5 -10-е-( — 5-Ю-4 )-1-10 = 4,24-108 Дж/с.
Ток взят со знаком минус, так как он направлен противоположно градиенту температуры. Благодаря эффекту Джоуля в проводнике выделится за единицу времени тепло
|
Q D = / 2 ^ = (5 - 10 - 4 ) 2 - 510 - 6 |
10 |
г = 2 , 5 - Ю - " Дж/с, |
||
|
|
|
|
5- Ю - 2 |
|
т. е. примерно в 200 раз меньше томсоновского тепла. |
|||||
В |
результате |
термодинамического |
рассмотрения оказывается, |
||
что между коэффициентами а, П |
и т существует связь, а именно, |
||||
дП |
— а и а |
П |
г т |
|
|
т = |
—-JT • І Іодставляя второе соотношение в первое, по |
||||
да лучим также: т —Г-^уг. С помощью этих равенств происходит опре
деление абсолютного значения а.
Явления Пельтье и Томсона имеют те же физические основания, что и возникновение термоэлектродвижущей силы. Последнее явле ние возникает в конечном счете по той причине, что тепловой поток переносит электрические заряды. Здесь же мы имеем явления, в ко торых поток электрических зарядов несет с собой тепло.
§280. Применения термоэлектрического эффекта
Внастоящее время серьезные возможности имеет применение термоэлементов в качестве генераторов электроэнергии. Металли ческие термоэлементы обладают коэффициентом полезного действия порядка 0,5%, но к. п. д. полупроводникового элемента, составлен ного из дырочной и электронной ветвей, уже сейчас доходит до 7—8%.
Низкий коэффициент полезного действия объясняется необ ратимыми потерями на джоулево тепло. Если R0 — сопротивление внутренней части цепи, a R — внешнее сопротивление, то мощность, выделяющаяся на внешнем сопротивлении (полезная мощность),
будет равна |
, |
„ для |
любой |
электрической цепи; |
здесь |
<§ — |
э. д. с. Подставляя |
значение термоэлектродвижущей |
силы, |
полу |
|||
чим для мощности термоэлемента |
выражение |
|
|
|||
|
|
|
|
(R + R»)2 |
|
|
Электродвижущие |
силы |
термоэлемента — это величины порядка |
||||
десятых долей вольта. Желая получить напряжение, скажем, 120 В, термоэлементы соединяют в батарею (последовательно). Если нужны сильные токи, то элементы надо соединять параллельно.
Вторым интересным применением термоэффекта, также ставшим возможным в связи с развитием техники полупроводников, является использование их в качестве холодильника.
Использование термоэлектрического эффекта для измерения температур хорошо известно, и мы на нем не станем останавли ваться.
Важнейшей и давно известной областью применения термоэф фекта является использование его для обнаружения ничтожных степеней нагрева. Эти возможности в настоящее время еще более возросли благодаря тому, что полупроводники дают большие термо электродвижущие силы. Для этих целей используют последова тельно соединенные термоэлементы — так называемый термостол бик. Все четные спаи такого соединения охлаждаются, а нечетные подвергаются нагреву. Термостолбики измеряют мощности до таких малых величин, как несколько эргов в секунду. Однако имеется возможность снизить этот предел до десятых долей эрга в секунду. Это достигается при помощи вакуумных термоэлементов, где потери тепла сведены к минимуму.
