Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

называемая термоэлектродвижущей (термо-э. д. с), которая в замк­ нутом проводящем контуре создает ток, называемый термоэлектри­ ческим. Это явление, называемое термоэлектричеством, было от­ крыто па опыте в 1821 г. голландским физиком Зеебеком и иногда называется его именем. Можно найти величину термо--э. д. с. На­ писав выражение (12.7) для контура, представленного па рисун­

= ± \ А Га- Т ь) = а ( Т а- Т ь).

вНо,

Термо-э. д. с. пропорциональна разности температур спаев. Ко­ эффициент пропорциональности а, равный термо-э. д. с., возникаю­ щей при разности температур спаев в 1°К, называется дифферен­ циальной термо-э.д:с., или чувствительностью термоэлемента. Ве­ личина а, как видим, зависит только от-ѵэлектронных концентраций в контактирующих металлах. Она различна для разных пар и по порядку величиныравна ІО-5— 10~6. При . разности температур спаев порядка сотни градусов термо-э. д. с. составляет несколько милливольт.

Как видно из вывода формулы (12.8), за термо-э. д. с. ответ­ ственна внутренняя контактная разность потенциалов. Малость ее обусловливает и малую величину термо-э. д. с. Тем не менее она в данном случае оказывается полезнее большой внешней контакт­ ной разности потенциалов.

Направление термотока определяется обычным способом: вы­ брав произвольное направление обхода контура, определяют знак термо-э. д. с. Если она окажется положительной, то это будет озна­ чать, что плотность тока направлена по обходу контура, если от­ рицательна, то противоположно обходу.

Применим это правило к контуру, приведенному на рисунке 123.

421

2но убедиться, что знак Ui зависит от того, какой металл считать пер­ вым, а какой — вторым. Это оп­ ределяется направлением обхода: металл, встречающийся раньше, следует считать первым и его Концентрацию щ писать в числи­

теле (12.8). Согласно выбранному нами направлению обхода металл 2 следует раньше метал­ ла 1, поэтому формула (12.8) для данного случая запишется так:

<S = - f 1 п ^ ( Г п — Г6).

е»о,

Учтя, что по предположению Та > Ть и п0, < я0„ получим, что э. д. с. отрицательна. А это значит, что плотность термотока на­ правлена противоположно направлению обхода, т. е. против часо­ вой стрелки.

Термоэлектричество широко используется в настоящее время для измерения температур ввиду очень высокой чувствительности метода. Принципиальная схема термоэлектрического термометра приведена на рисунке 124. Металлы 1 и 2, составляющие термо­ пару, подбираются так, чтобы ее чувствительность была по воз­ можности большой. Один спай помещается в место, температура которого подлежит определению, температуру другого спая под­ держивают неизменной. Для этого его погружают в сосуд Дьюара, в который налита подходящая жидкость, например жидкий азот. При не очень точных измерениях второй спай может находиться просто на воздухе. В цепь включается чувствительный гальвано­ метр. Сила термотока, показываемая им, зависит от разности тем­ ператур спаев. При точных измерениях не надеются на прямую пропорциональность термотока разности температур и снимают так называемую градуировочную кривую термопары, вернее, всего прибора. Для этого спаям задают заранее известные температуры (например, погружая их в различные кипящие жидкости с извест­ ными температурами кипения) и строят график, откладывая по оси абсцисс разность температур, а по оси ординат — соответ­ ствующий термоток.

Использование гальванометра неудобно в том отношении, что сила термотока зависит не только от разности температур, но и от сопротивления контура. Поэтому замена прибора другим ана­ логичным или изменение длины проводов потребует снятия новой градуировочной кривой. От этого недостатка свободен метод, ис­ пользующий измерение не силы термотока, а самой термо-э. д. с., зависящей только от разности температур.

С помощью термопар можно точно измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, а также сравнительно легко авто­

422

матически непрерывно регистрировать изменение температуры с помощью самописца. Для увеличения чувствительности вместо одной термопары или термоэлемента берут несколько термопар, соединенных последовательно (термобатарею, или термостолбик). Термо-э.д. с. такой батареи равна сумме э. д. с. каждой термопары. С помощью термостолбика можно в школьных условиях проде­ монстрировать неравномерное распределение энергии в сплошном спектре излучения электрической дуги.

В 1834 г. французский ученый Пельтье открыл на опыте явле­ ние, обратное явлению Зеебека. Оно было названо эффектом Пельтье и состоит в том, что при пропускании электрического тока от внешнего источника через спаи двух различных металлов, нахо­ дящихся даже при одинаковых температурах, один из спаев нагре­ вается, а другой охлаждается. Тепло, выделяемое или поглощае­ мое спаем, называется теплом Пельтье, оно является дополнением к обычному теплу Джоуля—Ленца.

Тепло Пельтье выделяется, конечно, и в том случае, если источ­ ником тока в цепи является термо-э.д. с. В этом случае тепло Пельтье будет положительным (т. е. будет выделяться) в холод­ ном спае и будет отрицательным (т. е. будет поглощаться) в горя­ чем спае. Другими словами, тепло Пельтье будет нагревать холод­ ный спай и охлаждать горячий, т. е. уменьшать разность темпера­ тур спаев и, следовательно, термо-э.д. с. В этом отношении термо­ ток «ведет себя» как ток в явлении индукции: он противодей­ ствует причине, его поддерживающей. Так и должно быть. Если бы температуры спаев при термотоке не изменялись, то это озна­ чало бы, что поддержание тока, сопровождаемое непрерывным вы­ делением энергии, не требует затраты энергии извне, т. е. что ток выделяет энергию, не потребляя ее. А это было бы нарушением закона сохранения энергии.

Итак, термоток охлаждает горячий спай и нагревает холодный. Следовательно, для поддержания постоянной силы термотока к горячему спаю необходимо непрерывно подводить тепло, а от хо­ лодного непрерывно отводить его. В этом отношении установка по созданию термотока подобна тепловой машине, имеющей обяза­ тельно и источник тепла («нагреватель»), и источник холода («хо­ лодильник»), и рабочее вещество (обычно газы), производящее внешнюю работу за счет части тепла, забираемого у нагревателя. В термоэлектрической цепи рабочим веществом является электрон­ ный газ, превращающий часть тепла, забираемого у горючего спая, в энергию, выделяемую термотоком, т. е. в работу термотока.

При изменении направления тока, создаваемого в цепи внеш­ ним источником, знак тепла Пельтье изменяется: спай, который нагревался, теперь будет охлаждаться. Имеются широкие возмож­ ности для использования явления Пельтье в холодильных установ­ ках и в устройствах по кондиционированию воздуха (кондиционе­ рах).

Принципиальная схема термоэлектрического холодильника чрез­ вычайно проста: четные спаи, которые должны быть холодными,

423

помещаются внутри холодильной камеры, нечетные (горячие) — снаружи. Цепь питают постоянным током. Направление тока вы­ бирается таким, чтобы при его прохождении внутренние спаи охлаждались, а наружные — нагревались. Поскольку холодиль­ ник — это охладитель для его камеры и нагреватель для окру­ жающего воздуха, то схема термоэлектрического холодильника мо­ жет быть использована в простейшем кондиционере — устройстве для поддержания температуры помещения в заданных границах, т. é. попросту для охлаждения воздуха в нем летом и для нагре­ вания зимой. Важно то, что для выполнения двух противополож­ ных задач — нагревания и охлаждения — может быть использо­ вана одна и та же установка; переход с режима отопления на ре­ жим охлаждения производится простым изменением направления электрического тока, питающего установку. Если четные спаи по­ местить на внутренних стенах комнаты, а нечетные — на наруж­ ной стене дома и пропустить выпрямленный ток через спаи, то при одном направлении тока внутренние спаи будут нагреваться, а на­ ружные — охлаждаться, т. е. устройство будет работать как отопи­ тель помещения зимой; при противоположном направлении тока внутренние спаи будут, наоборот, охлаждаться, а наружные — на­ греваться, т. е. система будет работать как охладитель для комнат­ ного воздуха летом. Переход с зимнего режима на летний осущест­ вляется простым поворотом ручки, изменяющей направление тока в системе.

Такая система отопления является в принципе более эффектив­ ной и экономичной, чем прямое превращение работы электриче­ ского тока в тепло с помощью электрической плитки. При отопле­ нии с помощью термоэлектрической установки тепло в комнату поступает от двух источников: во-первых, в тепло превращается потребляемая энергия электрического тока, как и в обычной элект­ роплитке. и во-вторых, и это главное, в комнату «впрыскивается» тепло, забранное у наружных спаев при их охлаждении. Таким об­ разом, отопление зимой производится также и за счет тепла, заби­ раемого у холодного атмосферного воздуха. В этом обстоятельстве нет ничего парадоксального: ведь при любом морозе атмосфер­

гию забрать у холодного атмосферного воздуха и передать теп­ лому комнатному воздуху. Термоэлектрическая установка позво­ ляет в принципе решить эту задачу. Правда, в настоящее время эта идея еще далека от практического применения в нашем быту, так как к. п.д. установок еще недопустимо мал. Однако этот метод стал перспективным в связи с применением полупроводников. В настоящее время внедряются в производство термоэлектрические холодильники. Наша промышленность уже многие годы выпускает термоэлектрические генераторы различного назначения.

Механизм эффекта Пельтье следующий. Если при прохождении электрона через контакт электрическое поле контакта ускоряет

424

Р и с . 1 2 5 .

электрон, то увеличение кинетической энергии электрона проис­ ходит за счет внутренней энергии металла, и такой спай охлаж­ дается. Наоборот, если электрическое поле двойного слоя контакта тормозит проходящий через него электрон, то замедляемый элект­ рон передает свою кинетическую энергию металлу и спай нагре­ вается. Очевидно, при изменении направления тока, т. е. при изме­ нении направления, в котором электрон проходит поле двойного елся, тормозящее поле станет ускоряющим, а ускоряющее — тор­ мозящим и знак эффекта Пельтье изменится на противоположный. Таким образом, причиной эффекта Пельтье, так же как и образо­ вания термо-э. д. с., является внутренняя контактная разность по­ тенциалов.

Рассмотрим, как выглядят контактные явления с позиций со­ временной квантовой теории металлов. На рисунке 125, а изобра­ жены два металлических проводника 1 и 2 и под ними — соответ­ ствующие уровни Ферми и работы выхода в изолированных про­ водниках, а на рисунке 125, б — распределение тех же величин

вконтактирующих металлах. Как видно из рисунка, уровень Фер­ ми, т. е. максимальная энергия электрона, в металле ) выше, чем

вметалле 2. Поэтому после приведения металлов в соприкоснове­ ние электроны начнут переходить с более высоких энергетических уровней металла 1 на более низкие свободные уровни металла 2. Этот переход приведет в конце концов к выравниванию уровней Ферми в обоих металлах. Это общее правило: равновесие контак­ тирующих металлов наступает после выравнивания уровней Ферми. Уровень Ферми, который устанавливается после контакта, лежит между уровнями Ферми металлов до их контакта. Для получения диаграммы после контакта металлов нужно диаграмму металла 1 опустить, а диаграмму металла 2 поднять так, чтобы уровни Ферми обоих металлов лежали на одной горизонтали. Тогда между верх­ ними и нижними концами диаграмм возникнут сдвиги, которые и определят внешнюю и внутреннюю контактные разности потенциа­

425.