Термопара Зеебека

Одна из первых термодинамических пар была открыта немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 г. Зеебек соединил концы двух разнородных проводников электричества и нагрел один из спаев. В цепи появился электрический ток. Этот эффект Зеебек назвал термомагнетизмом. Он считал, что разность температур между спаями вызывает «освобождение» магнетизма м служит причиной магнитных действий пары. Теперь эффект круговой циркуляции электрического заряда в цепи из двух разнородных проводников, между спаями которых создана разность температур, называется термоэлектричеством, или эффектом Зеебека, а сама цепь разнородных проводников – термоэлектрической парой Зеебека, или просто термопарой.

В каждом из спаев термопары возникает скачок электрического потенциала. Величина скачка зависит от температуры. Неодинаковость температуры спаев приводит к появлению избыточной контактной разности потенциалов (термоэлектродвижущей силы, или термоэдс), которая и вызывает циркуляцию электрического заряда. Таким образом, первопричиной эффекта Зеебека служит контактная разность потенциалов, открытая Вольта.

Зеебек очень подробно исследовал термоэлектрические свойства различных веществ и, подобно Вольта, расположил их в особый ряд (1822 г.). Впоследствии термоэлектрический ряд Зеебека уточнялся другими исследователями – Юсти (1948 г.) и Мейснером (1955 г.). Ряд Мейснера для металлов и полупроводников представлен в табл. 1 и 2 [33]. В этих таблицах термоэдс отнесена к одному градусу разности температур между горячим и холодным спаями пары и выражена в мкв/град. Металл, расположенный вверху, считается положительным по отношению к нижестоящему. В горячем спае термопары ток идет от положительного металла к отрицательному, а электроны перемещаются в противоположном направлении.

Таблица 1. Значения термоэдс для металлов по Мейснеру.

Термоэдс во всех случаях отсчитывается от нулевого значения, которое располагается между свинцом (Pb) и оловом (Sn). Иными словами, указанную в таблице термоэдс данный металл дает тогда, когда его сочетают со свинцом или оловом (разница между этими двумя металлами незначительна). Для определения термоэдс, возникающей между двумя данными металлами, надо взять разность соответствующих им значений величин.

В 1834 г. Жан Шарль Атаназ Пельтье, французский физик, часовщик по специальности, обнаружил, что при прохождении электрического тока в спае проводников поглощается или выделяется теплота. Направление теплового потока зависит от направления электрического тока. Это явление именуется эффектом Пельтье. Ряд опытов, показывающих наличие связи между теплотой и электричеством, Пельтье и Зеебек провели совместно.

А 1854 г. английский физик Уильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин) теоретически предсказал явление поглощения или выделения теплоты проводником с электрическим током, если вдоль проводника имеется градиент температуры. Направление теплового потока здесь также зависит от направления электрического тока. Это явление удалось наблюдать на опыте. Оно получило название эффекта Томсона.

Томсону же принадлежит первая полная теория термоэлектричества, объединяющая все три упомянутых эффекта – Зеебека, Пельтье и Томсона. Принципиальные основы теории дошли до наших дней без каких бы то ни было изменений (§ 8 и 19).

Таблица 2. Значения термоэдс для полупроводников по Мейснеру.

С момента изобретения термопары изучению термоэлектричества было посвящено огромное количество исследований, опубликованных в виде многочисленных статей и монографий [21, 27]. Повышенный интерес к термоэлектрическим явлениям можно объяснить тем, что в них заключены и при правильном подходе могут быть раскрыты самые сокровенные тайны строения вещества. Эта мысль высказана на стр. 294 в работе [16], где теоретически и экспериментально показано, что термопара Зеебека включает в себя значительно больше эффектов, чем было принято думать раньше. В частности, установлено, что известный эффект Томсона представляет собой совокупность по меньшей мере трех эффектов различной физической природы.

Кроме того, повышенный интерес к термоэлектричеству, по-видимому, связан также с чувством неудовлетворенности, которое оставляет теория Томсона. Эта мысль излагается на стр. 327 в работе [11], где впервые и наиболее подробно теоретически и экспериментально анализируются недостатки первого и второго соотношений теории Томсона.

Термоэлектрическая пара со всеми присущими ей эффектами есть весьма характерный представитель класса явлений, который в дальнейшем именуется термодинамической парой, или просто парой. Термопара Зеебека содержит все основные элементы любой термодинамической пары – два разнородных проводника и два спая, находящихся в неодинаковых термодинамических условиях. Между собой эти элементы сочетаются в наиболее простой и наглядной (схематической) форме. Поэтому в дальнейшем главные принципы функционирования любой пары иллюстрируются примерами работы термоэлектрической.

Замечательной особенностью термопары является также то, что все параметры ее работы поддаются сравнительно легкому и достаточно точному измерению. Многочисленные эксперименты с термоэлектричеством послужили тем фундаментом, на котором была построена общая теория термодинамической пары. Дальнейшее обобщение полученных результатов дало возможность автору этой книги экспериментально обосновать наиболее общую (единую) теорию природы, охватывающую все различные формы движения материи. Любопытно отметить, что изучения термоэлектрических явлений необходимо и достаточно для создания единой теории. Изучение только электрических или только термических явлений это сделать не позволяет.