Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Термоэлектричество

Открытие явление термоэлектричества связано с именем Зеебека. Он исследовал это явление, но толковал его неправильно. Зеебек считал, что под влиянием разности температур в разных проводниках, которые соединены, идет выделение магнетизма.

Возбуждение термоэлектрического тока, например, наблюдают в следующем опыте. К пластинке сурьмы ($Sb$) припаивают пластинку меди ($Cu$). Между пластинками расположена магнитная стрелка. В том случае, если один из спаев нагреть, то возникает ток, магнитная стрелка отклонится. По направлению отклонения стрелки было определено, что ток идет от меди к сурьме. В том случае, если спай охлаждать, то направление тока изменяется на противоположное.

Металл или полупроводник, в направлении которого идет ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называют положительным, а другой - отрицательным. Первый является анодом, а второй катодом. В термоэлектрической паре медь -- сурьма, сурьма станет положительной, а медь -- отрицательной.

Термоэлектродвижущая сила

ЭДС термопары (${\mathcal E}$) складывается из электродвижущих сил обоих спаев. ЭДС одного спая ($f(t)$) зависит от рода контактирующих металлов и температуры. В таком случае запишем:

где $t_1$ - температура части с большей температурой, $t_2$ -- температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) $\alpha ,$ который является характеристикой обоих металлов термопары, определяется как:

На практике величину $\alpha$ измеряют по отношению к свинцу (иногда к другому металлу). Это значит, что $\alpha$ измеряется для термопары, у которой одна ветвь составлена из изучаемого материала, другая - из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы ${\alpha }_{12}$ металла (1) по отношению к металлу (2) определен как:

где ${\alpha }_1и\ {\alpha }_2$ -- величины коэффициентов термоэлектродвижущей силы металлов 1 и 2 по отношению к свинцу. Эти величины зависят от чистоты веществ и очень изменяются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, например термопар ($Cu$, $Bi$); ($Ag$, $Cu$), ($Au$, $Cu$), хорошо выполняется формула для ЭДС термопары (${\mathcal E}$):

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары может быть представлена как:

В соответствии с выражением (5) ЭДС становится равной нулю при $t_1=t_2$ и при $t_1+t_2=-\frac{\alpha }{\beta }$. Величина $\tau$, называется температурой нейтральной точки, она равна:

В том случае, если при $t_2=const$, увеличивать $t_1$, то ${\mathcal E}$ будет расти по параболическому закону и достигнет максимума при $t_1=\tau$, а потом станет равна нулю и изменит знак при температуре $t_1=2\tau -t_2.$ Температура, при которой величина ЭДС проходит через нуль называется точкой инверсии.

Термо ЭДС цепи, составленной из двух разных проводников, при небольшой разности температур ($\triangle T\to 0$), может быть выражена формулой:

Формула (7) показывает, что термо -- ЭДС цепи есть разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, при этом в каждом из проводников появляется термо -- ЭДС $\triangle {{\mathcal E}}_i={\alpha }_i\triangle T$(i=1,2).

Для того чтобы определить не только величину, но и направление термо -- ЭДС приписывают определенный знак. Величина $\alpha$ считается положительной, если возникающий в проводнике термо ток течет от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае течет от проводника меньшим $\alpha$(алгебраически) к проводнику с большим $\alpha .$

Термоэлектрические свойства у полупроводников выражены существенно сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах слабо зависит от температуры, концентрации имеют одинаковые значения при низких и высоких температурах. У металлов слабо зависит положение уровня Ферми от температуры. Значит, что коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не выше нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и дырок), так же как и все параметры (энергия носителей заряда, положение уровня Ферми) существенно зависят от температуры. Коэффициент $\alpha$ значительно больше, чем у металлов, может достигать значении выше 1000 $\frac{мкВ}{К}$.

Термопара

Термоэлектричество может использоваться для того, чтобы генерировать электрический ток. Отдельная термопара (термоэлемент) имеет очень небольшую электродвижущую силу. Для того чтобы получить значительные напряжения термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживаются при одной температуре, четные при другой температуре. При этом электродвижущие силы отдельных элементов складываются. Термобатарея подобна тепловой машине, которая включена между нагревателем и холодильником. В такой машине большая часть теплоты, которая получена от нагревателя, теряется на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар имеют очень маленьким КПД. Около 0,1%. Металлические термопары используют только для измерения температур и потоков лучистой энергии. Существенно продуктивнее батареи термопар из полупроводников. При этом одну ветвь термопары изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью, другую из полупроводника с дырочной проводимостью. КПД полупроводниковых термопар достигает 15%.