Первооткрыватель явления термоэлектричества

ВВЕДЕНИЕ

Возможно, нас ждут новые месторождения нефти и угля и таких мало разведанных районах, как Австралия, Сахара или Антарктика. Кроме того, интенсивно разрабатываются и осваиваются новые технологии добычи угля из тонких и глубоких пластов, а также нефти из морских месторождений.

Нет сомнения в том, что будут разработаны принципиально новые, более эффективные способы использования ископаемых видов топлива. Традиционный многоступенчатый процесс, когда топливо сжигают, чтобы получить водяной пар, который направляется на вращение турбины генератора, вырабатывающего электричество, сопряжен с огромными потерями энергии. Большей части этих потерь можно избежать, если научиться превращать тепло непосредственно в электричество. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Т. Зеебек в далеком 1823 году. Плотно соединив провода двух разных металлов в замкнутую цепь и нагрев место стыка, он заметил, как дрогнула стрелка, находившегося рядом компаса. Это означало, что под действием тепла в цепи возникал электрический ток (термоэлектричество). Однако сам автор неверно истолковал результаты собственного опыта, и о его открытии надолго забыли.

Однако с появлением полупроводниковых материалов и технологий забытый эффект Зеебека снова привлек внимание ученых. И в результате были разработаны термоэлектрические устройства на основе полупроводниковых материалов. При нагревании одного конца полупроводника в нем появляется электрический потенциал: в полупроводнике р-типа на холодном конце возникает отрицательный заряд, а в n-электроде — положительный. Если два этих электрода соединить в форме U-образной конструкции с n-р-переходом в нижней части, то нагревание этого стыка приведет к тому, что на верхнем конце р-электрода будет накапливаться отрицательный заряд, а на верхнем конце n-злектрода — положительный.

В итоге между ними потечет электрический ток, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока поддерживается разность температур
(и наоборот, пропускание через термоэлемент электрического тока вызывает поглощение тепла и понижение температуры, поэтому его можно использовать в качестве холодильного устройства).

Термоэлектрический элемент — очень компактный, не требующий ни дорогостоящего генератора, ни громоздкого парового двигателя - можно легко установить практически в любом месте и пользовать в качестве удобного источника энергии. Все, что ему требуется, — это внешний обогреватель, например, керосинная горелка.

ПЕРВООТКРЫВАТЕЛЬ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Зеебек (Seebek) Томас Иоганн (9. IV.1770 — 10. XII.1831) — немецкий физик, член Берлинской АН (1814) Р. в Ревеле (теперь Таллин). Учился в Берлинском и Гёттингенском унтах, в последнем получил в 1802 степень доктора. Работал в Йене, в 20-х годах в Берлине.

Работы посвящены электричеству, магнетизму, оптике. Открыл в 1821 явление термоэлектричества (в паре "медь - висмут"), построил термопару и использовал ее для измерения температуры. Первый применил железные опилки для определения формы силовых линий магнитного поля. Изучал магнитное действие тока, хроматическую поляризацию и распределение тепла в призматическом спектре. Обнаружил поляризационные свойства турмалина (1813). Переоткрыл инфракрасные лучи, круговую поляризацию, намагничивание железа и стали вблизи проводника с током.

В 1821 году Зеебекрешил воспроизвести опыт Эрстеда по воздействию постоянного электрического тока на магнитную стрелку. Но источником тока была не гальваническая батарея, а сухой без какого-либо электролита контакт двух металлов. Зеебек установил, что магнитная стрелка реагировала только в тот момент, когда экспериментатор прикасался к месту контакта руками. Причём не играло никакой роли, были ли руки сухими или влажными. Эффект отсутствовал даже в том случае, когда контакт сжимался руками через влажную бумагу. Но при сжатии через стекло или металл стрелка отклонялась. Проведя многочисленные эксперименты, Зеебек убедился, что суть явления в тепле рук, которыми этот контакт сжимался. Поэтому этот эффект был назван термомагнитным.

Эти эксперименты были вскоре подтверждены Эрстедом и Фурье. Выяснилось, что элемент Зеебека не только создаёт магнитное поле, но и способен разлагать химические соединения. Этим он уподобляется химическому источнику тока. Поэтому это явление было названо термоэлектричеством.

Но сам первооткрыватель этого явления с таким толкованием не соглашался. Сам он занимался теорией земного магнетизма, а этот феномен он объяснял разностью температур между экватором и земными полюсами. В этих экспериментах учёный видел подтверждение своей точки зрения. Он считал, что именно токи, возникающие вследствие открытого им эффекта и порождают магнитное поле.

Надо отдать должное берлинскому профессору. Он сам, проведя множество экспериментов, накопил массу неопровержимого материала, который не только заставил его отказаться от своей гипотезы, но и предоставил науке много новых фундаментальных данных.

Зеебек достиг немалых результатов в физической оптике, физической химии и других науках, но известность учёному принес вышеописанный эффект, носящий его имя.

Эффект Зеебека — переход электрической энергии в тепловую и обратно — нашёл широкое применение в технике. На его основе работают термопреобразователи — термопары.

Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия, которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году Зеебекобнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры.
Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рисунок 1), образующих часть одной и той же цепи.

Рисунок 1 — Термоэлектрический эффект

Термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов - квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термо ЭДС-термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.