Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
§ 105. Термоэлектрический ток
1. Согласно закону последовательных контактов Вольты в замкнутой цепи, состоящей из нескольких (например, трех) металлов или полупроводников (см. рис. 254), не происходит возбуждения электрического тока, если все тела цепи находятся при одной и той же температуре. Если, однако, температуры в местах контактов разные, то в цепи появляется электрический ток. Этот ток называется термоэлектрическим. Само явление возбуждения термоэлектрического тока, а также тесно связанные с ним явления Пельтье и Томсона, о которых будет сказано ниже, получила собирательное название термоэлектричества. Явление термоэлектрического тока было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком (1770—1831), который
его подробно исследовал, хотя и дал неправильное истолкование существа своего открытия. (Зеебек думал, что под влиянием разности температур в разнородных проводниках, соединенных между собой, происходит выделение свободного магнетизма.)
Возбуждение термоэлектрического тока можно наблюдать на следующем приборе (рис. 259). К пластинке из сурьмы (Sb) припаяна пластинка из меди (Си). Между пластинками располагается магнитная стрелка NS. Если один из спаев нагревать, то появляется электрический ток, и магнитная стрелка отклоняется. По направлению отклонения можно судить о направлении электрического тока. Оказывается, что через нагретый спай ток идет от меди к сурьме. Если охладить тот же спай, то направление термоэлектрического тока меняется на противоположное.
Более эффектная демонстрация термоэлектрического тока осуществлена Полем. Толстая U-образная медная дуга перекрыта впаянным в нее в двух местах коротким мостиком 12 из константана (рис. 260, а). Место спая / подогревается пламенем газовой горелки через выступающий конец медной дуги. Для предотвращения нагревания спая 2 другой конец той же дуги загнут вниз и опущен в холодную воду. При разности температур между горячим и холодным
482
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ
[ГЛ. VIII
спаями в 500 °С электродвижущая сила пары медь — константан составляет всего 0,027 В. Однако, ввиду малости сопротивления медной дуги, термоэлектрический ток может быть порядка сотен ампер. Для обнаружения такого большого тока берется кусок железа прямоугольной формы с двумя отверстиями, разрезанный на две половины 1 и 2, как указано на рис, 260, б (поперечный разрез). Одна половина куска располагается сверху, а другая снизу медной дуги. Кусок в целом служит железным сердечником, а медная дуга — единственным витком, обвивающимся вокруг него. Нижний кусок 2
выполняет роль якоря. С помощью такого устройства на лекционных демонстрациях удается удерживать груз в несколько килограммов (вместе с якорем). Сам Поль доводил удерживаемый груз до
Металл или полупроводник, к которому идет ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называется положительным, а другой — отрицательным. Первый играет роль анода, а второй — катода. Так, в термоэлектрической паре медь — сурьма (см. рис. 259) сурьма будет положительной, а медь отрицательной. По этому признаку Зеебек, а затем и другие исследователи расположили металлы в так называемый термоэлектрический ряд, аналогичный ряду Вольты.
2. Электродвижущая сила всякой термопары складывается из электродвижущих сил обоих ее спаев. Электродвижущая сила одного спая зависит от рода контактирующих металлов и от температуры. Если обозначить ее через / (t), то электродвижущая сила термопары представится разностью
Рис. 260.
50 кг.
(105.1)
где ¦— температура более, a t2 — менее нагретого спаев. Произ-
водная а = dffdt называется коэффициентом термоэлектродвижу-
§ 105!
термоэлектрический ток
483
щей силы. Как и функция f, коэффициент а является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Для избежания их условились величину а измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который принимается свинец. Это означает, что а измеряется для термопары, у которой одна ветвь составлена из исследуемого материала, а другая — из свинца. Коэффициент термоэлектродвижущей силы а12 металла 1 по отношению к металлу 2 определится формулой
«12 = «i —«2, (105.2)
где (її и а2 — значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы металлов 1 и 2 соответственно по отношению к свинцу. Все эти величины зависят от чистоты материалов и сильно меняются с добавлением примесей.
Простейшей является линейная функция / (t) — /„ + at. В этом случае
Ш = аЦ1-Ь). (105.3)
Существуют пары металлов, для которых такая простая формула оправдывается в довольно широких пределах. К ним относятся, например, термопары: (Си, Bi), (Ag, Си), (Аи, Си), (Pt, Fe). Для других термопар зависимость f от t более сложная, например: / (0 = /о + + Р^2> гДе а и р — постоянные. В этом случае
Ш = a (ti —12) |^1 + ~ (^х + 4)J ¦ (10э.4)
К формуле такого вида пришел М. П. Авенариус (1835—1895) на основе анализа экспериментальных данных и Тэт (1831—1901) на основе полутеоретических соображений. Согласно формуле
(105.4) величина Ш обращается в нуль при tx = tz и при tr + t2 = = — а/р. Величина t = 1/2 (tx + Q называется температурой нейтральной точки. Если при неизменном значении t2 повышать температуру tu то <? будет возрастать по параболическому закону, достигнет максимума при tr — т, а затем обратится в нуль и изменит знак при температуре tx — 2т — t2. Температура tx = 2т — t2, при которой величина ё проходит через нуль, называется точкой инверсии.
