ТЕРМОЕЛЕКТРИКА
явище прямого перетворення теплоти в електрику в твердих або рідких провідниках, а також зворотне явище прямого нагрівання та охолодження спаїв двох провідників проходять струмом. Термін "термоелектрика" охоплює три взаємопов'язаних ефекту: термоелектричний ефект Зеєбека і електротермічні ефекти Пельтьє і Томсона. Всі вони характеризуються відповідними коефіцієнтами, різними для різних матеріалів. Ці коефіцієнти пов'язані між собою так званими співвідношеннями Кельвіна. Вони визначаються як параметрами спаев, так і властивостями самих матеріалів. Інші явища, в яких беруть участь теплота і електрику, такі, як термоелектронна емісія і теплову дію струму, що описується законом Джоуля - Ленца, істотно відрізняються від термоелектричних і електротермічних ефектів і тут не розглядаються.
Див. також
ТЕПЛОТА;
Термоелектронної емісії;
ТЕРМОДИНАМІКА.
Термоелектричний ефект Зеєбека. У 1820 з'явилося повідомлення Г.Ерстеда про те, що магнітна стрілка відхиляється поблизу проводу з електричним струмом. У 1821 Т.Зеебек зазначив, що стрілка відхиляється також, коли два стику замкнутому електричному ланцюзі, складеної з двох різних провідних матеріалів, підтримуються при різній температурі. Зеєбек спочатку думав, що це чисто магнітний ефект. Але згодом стало ясно, що різниця температур викликає поява електричного струму в ланцюзі (рис. 1). Важливою характеристикою термоелектричних властивостей матеріалів, що становлять ланцюг, є напруга на кінцях розімкнутої ланцюга (тобто коли один з стиків електрично роз'єднаний), так як в замкнутому ланцюзі струм і напруга залежать від питомого електроопору проводів. Ця напруга розімкнутого ланцюга VAB (T1, T2), залежне від температур T1 і T2 спаев (рис. 2), називається термоелектричної електрорушійної силою (термо-ЕРС). Зеєбек заклав основи для подальших робіт в області термоелектрики, вимірявши термо-ЕРС широкого кола твердих і рідких металів, сплавів, мінералів і навіть ряду речовин, нині званих напівпровідниками.
Мал. 1. ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ Ефект Зеєбека. Різниця температур в з'єднаннях провідників A і B викликає поява струму в замкнутому ланцюзі. Напрямок струму залежить від того, для якого з провідників питома термо-ЕРС більше по абсолютній величині. Сила струму залежить від різниці температур (Tгор-Tхол), питомих термо-ЕРС обох провідників і від їх питомих опорів.
Мал. 2. ТЕРМОПАРА (термоелементи). При різних температурах спаїв двох провідників A і B виникає напруга на кінцях розімкнутої ланцюга - термо-ЕРС термопари. Знак термо-ЕРС залежить від того, для якого з провідників більше по абсолютній величині питома термо-ЕРС. Величина термо-ЕРС термопари залежить від різниці температур і від питомих термо-ЕРС обох провідників.
Електротермічний ефект Пельтьє. У 1834 французький годинникар Ж.Пельтье зауважив, що при проходженні струму через спай двох різних провідників температура спаю змінюється. Як і Зеєбек, Пельтьє спочатку не побачив у цьому електротермічного ефекту. Але в 1838 Е.Х.Ленц, член Петербурзької академії наук, показав, що при досить великій силі струму краплю води, нанесену на спай, можна або заморозити, або довести до кипіння, змінюючи напрямок струму. При одному напрямку струму спай нагрівається, а при протилежному - охолоджується. В цьому і полягає ефект Пельтьє (рис. 3), зворотний ефекту Зеєбека.
Мал. 3. електротермічним ЕФЕКТ ПЕЛЬТЬЄ (обернений ефекту Зеєбека). При пропущенні струму по ланцюгу, складеної з провідників A і B, один спай нагрівається, а інший - охолоджується. Який саме нагрівається, а який охолоджується - це залежить від напрямку струму в ланцюзі.
Електротермічний ефект Томсона. У 1854 У. Томсон (Кельвін) виявив, що якщо металевий провідник нагрівати в одній точці і одночасно пропускати по ньому електричний струм, то на кінцях провідника, рівновіддалених від точки нагріву (рис. 4), виникає різниця температур. На тому кінці, де струм направлений до місця нагріву, температура знижується, а на іншому кінці, де струм направлений від точки нагріву, - підвищується. Коефіцієнт Томсона - єдиний термоелектричний коефіцієнт, який може бути визначений на однорідному провіднику. Пізніше Томсон показав, що всі три явища термоелектрики пов'язані між собою вже згадуваними вище співвідношеннями Кельвіна.
Мал. 4. електротермічним ЕФЕКТ ТОМСОНА. При пропущенні струму через провідник, що нагрівається в середній точці, один його кінець трохи нагрівається, а інший злегка охолоджується. Який саме нагрівається, а який охолоджується - це залежить від напрямку струму в ланцюзі.
Термопара. Якщо матеріали ланцюга рис. 2 однорідні, то термо-ЕРС залежить тільки від обраних матеріалів і від температур спаїв. Це експериментально встановлене положення, зване законом Магнуса, лежить в основі застосування т.зв. термопари - пристрої для вимірювання температури, яке має важливе практичне значення. Якщо термоелектричні властивості даної пари провідників відомі і один із спаїв (скажімо, з температурою T1 на рис. 2) підтримується при точно відомої температурі (наприклад, 0 ° C, точці замерзання води), то термо-ЕРС пропорційна температурі T2 іншого спаю. Термопарами з платини і платино-родієвого сплаву вимірюють температуру від 0 до 1700 ° C, з міді і багатокомпонентного сплаву константана - від -160 до + 380 ° C, а з золота (з дуже малими добавками заліза) і багатокомпонентного хромелю - до значень, лише на частки градуса перевищують абсолютний нуль (0 К, або -273,16 ° C). Термо-ЕРС металевої термопари при різниці температур на її кінцях, що дорівнює 100 ° C, - величина порядку 1 мВ. Щоб підвищити чутливість вимірювального перетворювача температури, можна з'єднати кілька термопар послідовно (рис. 5). Вийде термобатарея, в якій один кінець всіх термопар знаходиться при температурі T1, а інший - при температурі T2. Термо-ЕРС батареї дорівнює сумі термо-ЕРС окремих термопар.
Мал. 5. термобатарея з n однакових термоелементів, з'єднаних послідовно. Термо-ЕРС термобатареї в n разів більше термо-ЕРС одного термоелемента.
Оскільки термопари і їх спаи можуть бути виконані невеликими і їх зручно використовувати в самих різних умовах, вони знайшли широке застосування в пристроях для вимірювання, реєстрації та регулювання температури.
Термоелектричні властивості металів. Ефект Зеєбека зазвичай легше інших термоелектричних ефектів піддається надійним вимірам. Тому його зазвичай і використовують для вимірювання термоелектричних коефіцієнтів невідомих матеріалів. Оскільки термо-ЕРС визначається властивостями обох гілок термопари, одна гілка повинна бути з якогось "опорного" матеріалу, для якого відома "питома" термо-ЕРС (термо-ЕРС на один градус різниці температур). Якщо одна гілка термопари знаходиться в надпровідного стану, то її питома термо-ЕРС дорівнює нулю і термо-ЕРС термопари визначається величиною питомої термо-ЕРС іншої гілки. Таким чином, надпровідник - ідеальний "опорний" матеріал для вимірювання питомої термо-ЕРС невідомих матеріалів. До 1986 найвища температура, при якій метал можна було підтримувати в надпровідного стану, становила лише 10 К (-263 ° C). В даний час надпровідники можна використовувати приблизно до 100 К (-173 ° C). При більш високих температурах доводиться проводити вимірювання з ненадпровідний опорними матеріалами. До кімнатної і кілька більш високих температур опорним матеріалом зазвичай служить свинець, а при ще більш високих - золото і платина.
Див. Також надпровідності. Ефект Зеєбека в металах має дві складові - одна з них пов'язана з дифузією електронів, а інша зумовлена їх фононною захопленням. Дифузія електронів викликається тим, що при нагріванні металевого провідника з одного кінця на цьому кінці виявляється багато електронів з високою кінетичної енергією, а на іншому - мало. Електрони з високою енергією дифундують в сторону холодного кінця до тих пір, поки подальшої дифузії НЕ перешкодить відштовхування з боку надлишкового негативного заряду накопичених тут електронів. Цим накопиченням заряду і визначається компонента термо-ЕРС, пов'язана з дифузією електронів. Компонента, пов'язана з фононною захопленням, виникає з тієї причини, що при нагріванні одного кінця провідника на цьому кінці підвищується енергія теплових коливань атомів. Коливання поширюються в бік більш холодного кінця, і в цьому русі атоми, зіштовхуючись з електронами, передають їм частину своєї підвищеної енергії і захоплюють їх в напрямку поширення фононів - коливань кристалічної решітки. Відповідним накопиченням заряду визначається друга компонента термо-ЕРС. Обидва процеси (дифузія електронів і їх фононне захоплення) зазвичай призводять до накопичення електронів на холодному кінці провідника. В цьому випадку питома термо-ЕРС за визначенням вважається негативною. Але в деяких випадках через складний розподілу числа електронів з різною енергією в даному металі і через складні закономірностей розсіювання електронів і тих, хто вагається атомів в зіткненнях з іншими електронами і атомами електрони накопичуються на нагреваемом кінці, і питома термо-ЕРС виявляється позитивною. Найбільші термо-ЕРС характерні для термопар, складених з металів з питомими термо-ЕРС протилежного знака. У цьому випадку електрони в обох металах рухаються в одному і тому ж напрямку.
Термоелектричні властивості напівпровідників. У 1920-1930-х роках вчені виявили ряд матеріалів з низькою провідністю, нині званих напівпровідниками, питомі термо-ЕРС яких в тисячі разів більше, ніж у металів. Тому напівпровідники більшою мірою, ніж метали, підходять для виготовлення термобатарей, від яких потрібні великі термо-ЕРС або інтенсивне термоелектричне нагрівання або охолодження. Як і в разі металів, термо-ЕРС напівпровідників мають дві складові (пов'язані з дифузією електронів і з їх фононною захопленням) і можуть бути негативними або позитивними. Найкращі термобатареи виходять з напівпровідників з термо-ЕРС протилежного знака.
Термоелектричні прилади. Якщо створити хороший тепловий контакт однієї групи спаев термобатареи з будь-яким джерелом теплоти, наприклад невеликою кількістю радіоактивної речовини, то на виході термобатареи буде вироблятися напруга. ККД перетворення теплової енергії в електричну в таких термоелектричних генераторах досягає 16-17% (для паротурбінних електростанцій теплової ККД становить 20-40%). Термоелектричні генератори знаходять застосування в віддалених точках на Землі (наприклад, в Арктиці) і на міжпланетних станціях, де від джерела живлення потрібні велика довговічність, малі розміри, відсутність рухомих механічних деталей і знижена чутливість до умов навколишнього середовища. Можна також, приєднавши до затискачів термобатареи джерело струму, пропускати через її термоелементи струм. Одна група спаїв термобатареї буде нагріватися, а інша - охолоджуватися. Таким чином, термобатарей можна використовувати або як термоелектричний нагрівач (наприклад, для пляшечок з дитячим харчуванням), або як термоелектричний холодильник.
Див. Також ХОЛОДИЛЬНА ТЕХНІКА. Ефективність термоелементів для термоелектричних генераторів оцінюється порівняльним показником якості Z = (S2sT) / k, де T - температура, S - питома термо-ЕРС, k - питома теплопровідність, а s - питома електропровідність. Чим більше S, тим більше термо-ЕРС при даній різниці температур. Чим більше s, тим більше може бути струм в ланцюзі. Чим менше k, тим легше підтримувати необхідну різницю температур на спаях термобатареи.
ЛІТЕРАТУРА
Вейник А.І. Термодинамічна пара. Мінськ, 1973 Анатирчук Л.І. та ін. Термоелементи і термоелектричні пристрої. Київ, 1979 Термоелектричні охолоджувачі. М. тисячі дев'ятсот вісімдесят три Куїнн Т. Температура. М. 1986