Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Термоэлектричество

Явление термоэлектричества открыл ученый Зеебек. Он изучал данное явление, но толковал его неверно. Зеебек полагал, что под влиянием разности температур в разных, но соединенных проводниках происходит выделение магнетизма.

Рассмотрим пример опыта, в котором наблюдается возбуждение термоэлектрического тока.

Термоэлектродвижущая сила

Тогда запишем:

где $t_1$ – это температура части с большей температурой, $t_2$ – это температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) $\alpha$, то есть характеристика $2$-х металлов термопары, находится по формуле:

В опытах величину $\alpha$ измеряют по отношению к свинцу (а иногда и к другому металлу). Это означает, что $\alpha$ вычисляется для термопары, у которой $1$ ветвь составлена из изучаемого материала, а $2$-я – из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы ${\alpha }_{12}$ одного металла по отношению к другому металлу находится как:

где ${\alpha }_1$ и ${\alpha }_2$ – это значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы $1$-го и $2$-го металлов по отношению к свинцу. Данные значения зависят от чистоты веществ и сильно меняются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, к примеру термопар $(\mathrm{Cu}, \mathrm{Bi}); (\mathrm{Ag}, \mathrm{Cu}), (\mathrm{Au}, \mathrm{Cu})$, идеально подходит формула для ЭДС термопары $\left({\rm E}\right)$:

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары можно представить формулой электродвижущей силы:

Исходя из выражения $\left(5\right)$ ЭДС становится равной $0$ при $t_1=t_2$ и при $t_1+t_2=-\frac{\alpha }{\beta }$. Величина $\tau$ – это температура нейтральной точки, которая равняется:

Если при $t_2=const$, увеличивать $t_1$, то ${\rm E}$ будет увеличиваться по параболическому закону, достигнув максимума при $t_1=\tau$, а потом будет равна $0$ и сменит знак при температуре $t_1=2\tau -t_2$.

Термо ЭДС цепи, которая составлена из $2$-х разных проводников, при небольшой разности температур $\left(∆T\to 0\right)$, может выражаться формулой:

Формула $\left(7\right)$ демонстрирует, что термо ЭДС цепи – это разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, причем в каждом из проводников появляется термо ЭДС $∆{{\rm E}}_i={\alpha }_i∆T(i=1,2)$.

Для нахождения не только величины, но и направления термо ЭДС приписывают конкретный знак. Значение $\alpha$ считается положительным, если появляющийся в проводнике термо ток протекает от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае протекает от проводника с меньшим $\alpha$ (алгебраически) к проводнику с большим $\alpha$.

Термосвойства у полупроводников выражаются намного сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах выражается не сильной зависимостью от температуры, а концентрации выражаются одинаковыми значениями при низкой и высокой температурах. У металлов наблюдается слабая зависимость положения уровня Ферми от температуры. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не превышает даже и нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и отверстий), точно так же как и все параметры (энергия носителей заряда и положение уровня Ферми) значительно зависят от температуры. Коэффициент $\alpha$ намного больше по сравнению с металлами и может достигать значения более $1000 \frac{мкВ}{К}$.

Термопара

Термоэлектричество используют для генерации электрического тока. Отдельная термопара (термоэлемент) наделен очень небольшой электродвижущей силой. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживают на одной температуре, а все четные – при другой температуре. Причем электродвижущие силы отдельных элементов можно складывать. Термобатарея наподобие тепловой машины, включенной между нагревателем и холодильником. В этой машине большее количество теплоты, полученного от нагревателя, растрачивается на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар характеризуются слишком маленьким КПД (приблизительно $0,1\%$). Металлические термопары применяют лишь для установления температур и потоков лучистой энергии. Намного продуктивнее работают батареи термопар из полупроводников. Причем $1$ ветвь термопары делают из полупроводника с электронной проводимостью, а $2$-ю – из полупроводника с дырочной проводимостью. Коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар доходит до $15\%$.