Термоелектричні явища і їх застосування

Згідно другого закону А. Вольта в замкненому колі, яке складається з декількох металів при однаковій температурі, сумарна контактна різниця потенціалів рівна 0, тобто струм в колі проходити не буде. Але якщо температура контактів різна, то в колі виникає термоелектричний струм, оскільки при цьому сумарна контактна різниця потенціалів відмінна від 0, тобто виникає термоелектрорушійна сила. Явище виникнення термоелек-тричного струму (явище Зеебека), а також тісно зв’язані з ним явища Пельтьє і Томсона називають термоелектричними явищами.

Французький фізик Ж. Пельтьє виявив, що при проходженні через контакт двох різних провідників електричного струму в залежності від його напряму, крім теплоти Джоуля виділяється (поглинається) додаткова теплота. На відміну від теплоти Джоуля, яка пропорційна квадрату сили струму, теплота Пельтьє пропорційна силі струму і змінює знак при зміні напряму струму. Явище Пельтьє можна пояснити так. Електрони по різні сторони від контакту металів мають різну середню енергію. Якщо електрони з більшою енергією перейдуть в метал, де є електрони з меншою енергією, то надлишок своєї енергії вони віддадуть кристалічній гратці і місце контакту металів буде нагріватись. Якщо ж електрони з меншою енергією перейдуть в метал, де є електрони з більшою енергією, то вони будуть забирати недостачу енергії в кристалічної гратки і контакт буде охолоджуватись. Явище Пельтьє використовується в термоелектричних напівпровідникових холодильниках та в інших електронних приладах.

В. Томсон (Кельвін), досліджуючи термоелектричні явища, виявив, що при проходженні струму по нерівномірно нагрітому провіднику відбувається додаткове виділення (поглинання) теплоти, аналогічної теплоті Пельтьє. Це явище отримало назву ефекту Томсона. Оскільки в більш нагрітій частині провідника електрони мають більшу середню енергію, то, рухаючись в напрямі зменшення температури, вони віддають частину своєї енергії кристалічній гратці, що й обумовлює виділення теплоти Томсона. Якщо ж електрони рухаються в сторону збільшення температури, то вони, навпаки, поповнюють свою енергію за рахунок зменшення енергії кристалічної гратки, в результаті чого відбувається поглинання теплоти Томсона.

Розглянемо електричне коло із двох спаяних між собою різнорідних провідників. Такий пристрій називається термопарою. При однакових температурах Т контактів 1 і 2 термопари (рис85.2а)

Рисунок 85.2

струм в колі відсутній, оскільки контактні різниці потенціалів в обидвох спаях рівні за величиною, але компенсують одна одну, тобто результуюча контактна різниця потенціалів Δφ, яка рівна термоелектрорушійній силі ε, згідно співвідношення (85.4)

. (85.5)

Якщо ж температури спаїв 1 і 2 різні (рис. 85.2б), то загальна контактна різниця потенціалів в колі при Т₂ > Т₁

. (85.6)

Підставивши значення Δφ₁ і Δφ₂ згідно співвідношення (85.4) в (85.6), отримаємо:

. (85.7)

Загальна контактна різниця потенціалів є сумою стрибків потенціалів у замкненому колі, отже є термоелектрорушійною силою:

, (85.8)

де ΔТ = Т₂ - Т₁. Величина

(85.9)

називається диференціальною термоелектрорушійною силою. Вона є постійною для даної пари металів в широкому діапазоні температур. З урахуванням (85.9) вираз (85.8) набуває вигляду:

, (85.10)

звідки

, (85.11)

тобто диференціальна термодинамічна сила є термоелектрору-шійною силою при різниці температур між спаями ΔТ = 1К.

З метою градуювання термопари її спаї занурюють в посудини з маслом, в яких містяться термометри. В одній з цих посудин є електронагрівна спіраль, що дає змогу змінювати різницю температур ΔТ між спаями досліджуваної термопари. Для вимірювання термоелектрорушійної сили ε в коло термопари ввімкнений мікровольтметр (рис. 85.3).

Рисунок 85.3

 

Термопару – комбінацію двох провідників різного хімічного складу – найчастіше використовують для вимірювання температури. До її вільних кінців приєднують чутливий гальванометр. Знаючи силу струму, яку показує гальванометр, можна визначити термоелектрорушійну силу термопари. На практиці, як правило, шкала гальванометра проградуйована в градусах температури. За допомогою термопар з точністю до сотих часток градуса можна вимірювати як низькі, так і високі температури. Для вимірювання високих температур (до 1900К) зазвичай застосовують платино-родієві термопари. При цьому термопару розміщують у трубці з вогнетривкого матеріалу. Кінець із спаєм обох металів поміщають в середовище, температуру якого потрібно виміряти. Для вимірювання відносно низьких температур (до 700К) найчастіше використовують мідно-константанові та залізо-константанові термопари.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ