Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
486
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ
(ГЛ. VIII
Поэтому для них коэффициент термоэлектродвижущей силы а значительно больше, чем у металлов, и может превышать 1000 мкВ/°С (табл. 7).
Таблица 6
Значения коэффициента термоэлектродвижущей силы для некоторых металлов и сплавов
Материал а, мкВ/°С 1 [ Материал а, мкВ/°С Материал a, mkB/'O
Висмут —68,0 Натрий *—6,5 Золото +2,9
Константан —38,0 Платина —4,4 Цинк + 3,1
Копель —38,0 Ртуть 1—4,4 Вольфрам + 3,6
Никель —20,8 Алюминий -0,4 Кадмий +4,6
Нихром —18,0 Олово —0,2 Молибден + 7,6
Алюмель —17,3 Магний 0,0 Железо + 15,0
Калий — 13,6 Свинец 0,0 Хромель +24
Палладий -8,9 Серебро +2,7 Сурьма +43
Таблица 7
Значения коэффициента термоэлектродвижущей силы для некоторых полупроводников
Материал a, mkB/°C Материал a, mkB/°C Материал a, mkB/°C
T14S —780 Pb—Те—Se —160 Bi2Te3 + 170
MoS —770 PbS —160 Bi2Se3 +200
VA —750 PbSe —160 SbZn + 200
wo3 —740 PbTe — 160 NiO +240
CuO —700 SnO — 140 MoS2 +300
Fe203 —613 CdO —40 Mn.,63 +385
FeO —500 CuS . —7 CoO +450
Fe304 —430 FeS +26 SiC(4epHbifi) +800
SiC (зеленый) —300 CdO +30 T12S +800
FeS2 —200 Bi2S3 +80 Se + 1000
СоЭЪч —200 Sb2Te3 + 100 CuO + 1120
Mg03H2 —200 FeTi03 + 140 Cu20 + 1200
Bi—Те—Se —170 Bi—Sb—Те + 160
5. Термоэлектричество может быть использовано для генерации электрического тока. Отдельная термопара (термоэлемент) имеет слишком малую электродвижущую силу. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи, как указано на схематическом рис. 263. Все нечетные спаи поддерживаются при одной, а четные — при другой температуре. В результате электродвижущие силы отдельных термоэлементов складываются. Термобатарея подобна тепловой машине,
§ 106J
ЯВЛЕНИЕ ПЕЛЬТЬЕ
487
включенной между нагревателем и холодильником. В такой машине большая часть тепла, полученного от нагревателя, бесполезно теряется в результате теплопроводности и джоулева нагрева. Термобатареи из металлических термопар обладают слишком малыми к. п. д. (около 0,1%). Поэтому металлические термопары используются только для измерения температур II потоков лучистой энергии (см. т. II, § 5). Значительно выгоднее термобатареи из полупроводников. Одна ветвь термопары в них изготовляется из проводника с электронной, а другая — с дырочной проводимостью. К. п. д. полупроводни- 13 5 7
ковых термоэлементов достигает 15% и в Ъ
дальнейшем, несомненно, будет повышен еще Рис. 263.
больше. В СССР и других промышленно развитых странах ведется разработка полупроводниковых термоэлектрогенераторов для прямого преобразования в электрическую тепловой энергии Солнца, ядерных реакторов и пр.
§ 106. Явление Пельтье
1. В 1834 г. французский часовщик Пельтье (1785 — 1845) опубликовал статью о температурных аномалиях, наблюдаемых на границе двух различных проводников при прохождении через них электрического тока. Сам Пельтье не совсем уяснил сущность открытого им явления. Истинный смысл явления Пельтье был установлен в 1838 г. Ленцем (1804—1865). В углубление на стыке стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении вода замерзала, а при пропускании в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. В этом и состоит явление Пельтье. Таким образом, оно является обратным по отношению к явлению Зее-бека. В отличие от тепла Джоуля — Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока, тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой
Сп = П<7, (106.1)
где q — количество прошедшего электричества, а П — так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от нх температуры. Тепло
488
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ
(ГЛ. VIII
Пельтье Qn считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.
Сам Пельтье продемонстрировал открытое им явление на следующем изящном опыте. Две полоски из сурьмы АВ и висмута CD (рис. 264) были спаяны в виде креста (креста Пельтье). К концам А и С можно было присоединять батарею, а к концам В п D — гальванометр. При пропускании электрического тока от батареи в направлении от сурьмы к висмуту спай нагревался. После этого батарея отключалась и присоединялся гальванометр. Последний обнаруживал ток в направлении от висмута к сурьме, т. е. в направлении, противоположном исходному току от батареи. Именно
этого и следовало ожидать согласно принципу Ле ШатеЛье — Брауна. Если повторить опыт, пропуская ток от батареи в противоположном направлении, то спай охлаждается, а ток через гальванометр также меняет направление на противоположное.
2. Для количественного исследования явления Пельтье Леру припаял к концам висмутовой проволоки АВ медные провода и опустил спаи в два калориметра (рис. 265). Пропуская через оба спая один и тот же ток 3 в течение определенного времени /, Леру измерял тепло, выделившееся в каждом калориметре за это время. Если сопротивления проводов R, опущенных в калориметры, одинаковы, то в калориметрах выделится одно и то же джоулево тепло,, а именно Rd72t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно: если ток 3 идет от меди к висмуту, то тепло Пельтье выделяется, а если от висмута к меди, то поглощается. Таким образом, можно написать
