Термоэлектрические явления

Рубрики: Физика

Термоэлектрические явления

При соприкосновении двух разнородных проводников между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от их химического состава и температуры.

Если два разнородных металла привести в соприкосновение, то электроны проводимости будут переходить из одного металла в другой. Если металлы разнородные, то работа выхода электронов может быть различной, может быть различной и концентрация электронов проводимости, поэтому число электронов переходящих из первого металла во второй будет отличаться от числа электронов, переходящих из второго металла в первый.

В результате один металл будет получать некоторый положительный заряд, другой — отрицательный, потенциалы их изменятся и в пространстве, окружающем металлы возникнет электрическое поле. При этом меняются потенциалы у поверхности металлов (внешняя контактная разность потенциалов) и на границе контакта металлов (внутренняя контактная разность потенциалов).

Законы Вольта

Формула Vвн = выражает первый закон, сформулированный в конце 18 в. итальянским физиком А. Вольта.

Законы Вольта

Если соединить несколько проводников из различных металлов при одинаковой температуре, то разность потенциалов на концах цепи будет равна алгебраической сумме разностей потенциалов на всех контактах.

+ + + …=

Полученное соотношение выражает второй закон Вольта: разность потенциалов между концами цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Явление Зеебека

Если цепь, состоящую из разнородных проводников при одинаковой температуре, замкнуть, то в каждом из контактов возникнет разность потенциалов, но электрический ток в цепи не возникает:

+ =

Если контакты замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, поддерживать при различных температурах, то в цепи возникает электрический ток, направление которого изменяется при изменении знака разности температур. Результирующая контактная разность потенциалов равна:

DV = = a dT.

Явление Зеебека

Величина a dT называется Термоэлектродвижущей силой. Коэффициент a называется удельной термоэлектродвижущей силой (a = 10-4 — 10-5 В/К). Существование термо ЭДС связано с необходимостью непрерывно подводить тепло к горячему сплаю и отводить его от холодного. Явление Зеебека используется для измерения температур. Термопары представляют собой замкнутые цепи, содержащие спаи разнородных металлов. При измерении температуры один из спаев помещается в среду, температуру которой следует измерять, второй — в среду с известной температурой. По величине возникшего в цепи термотока можно судить о температуре среды. С помощью термопар можно измерять температуру с точностью порядка сотых долей градуса в широком интервале температур — от десятков до тысяч градусов абсолютной шкалы.

Явление Зеебека наблюдается также у полупроводников. Термопары изготовленные из полупроводников имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия ( до 15%, КПД металлических термопар 0,5%), поэтому их используют в качестве элементов блока питания радиоапаратуры.

Явление Пельтье

В 1834 г. Пельтье было открыто явление, обратное явлению Зеебека, которое заключается в том, что при протекании тока по цепи, состоящей из двух разнородных металлов в спаях выделяется или поглощается кроме ленц-джоулева тепла добавочное тепло (тепло Пельтье), пропорциональное количеству электричества, протекающего через спай.

Явление Пельтье можно объяснить следующим образом. При прохождении электрического тока через спай электроны проводимости будут ускоряться или замедляться контактной разностью потенциалов. При ускорении электронов в спае будет выделяться тепло, а при замедлении — поглощаться.

Явление Пельтье наблюдается также и у полупроводников. А. Ф. Иоффе предложил использовать явление Пельтье, наблюдающееся при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости, для создания холодильных установок. В таких холодильниках рабочим элементом является батарея из спаев различных полупроводников. Одна половина спаев вводится в охлаждаемый объем, другая выводится наружу. При определенном направлении тока первая группа спаев поглощает тепло из внутреннего объма холодильника. Изменив направление тока можно использовать такую систему для нагрева внутреннего объема.

Метки: , ,