§ 1. Краткий обзор истории термоэлектричества

Общие сведения о термоэлектричестве. К числу термоэлектрических явлений относят обычно три обратимых термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны с взаимным превращением тепловой энергии в энергию электрического тока.

Термодинамический анализ обнаруживает глубокую связь и взаимообусловленность термоэлектрических эффектов, которые в рамках кинетической теории явлений переноса получают свое естественное объяснение. Эта далеко идущая общность отражается также и на экономических характеристиках термоэлектрического процесса. Она проявляется, в частности, в подобии ряда формул, относящихся к батареям разного назначения, а также в универсальности предела, к которому стремится к.п.д. процесса при наиболее полном использовании всех конструктивных возможностей.

Чтобы эти и некоторые другие общие результаты могли быть правильно поняты и истолкованы, мы дадим ниже краткую характеристику каждому термоэлектрическому эффекту в отдельности и тем связям, которые устанавливает между ними термодинамика и кинетика.

Эффект Зеебека. Этот эффект был открыт и тщательно исследован Зеебеком в 1821 г., однако вполне правильное истолкование эффект получил несколько позже. Заключается он в следующем.

Если имеется правильно разомкнутая цепь (рис. 1), состоящая из двух проводников I рода, причем один из контактов (А) имеет температуру Ti, а другой (В) - темпера-ТУРУ Toio) ™ концах цепи, имеющих одинаковую

температуру Т (на рис. 1 схематически показана зависимость температуры от расстояния), возникает разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой Е, равная

=adT.

(1.1)

где а = а (7) - так называемая дифференциальная термо-э.д.с, зависящая только от температуры и материалов пары. В общей теории термоэлектричества вводится понятие абсолютной термо-э.д.с, характеризующей данный проводник, а определенная выше термо-э.д.с. пары а получается как разность величин <х и а" - абсолютных термо-э.д.с. проводников А VI В, так что

Рис. 1. Явление Зеебека было

обнаружено в электролитах, расплавах, кристаллах, т. е. почти во всех известных материалах. Исследования а (7) проводились при любых температурах, вплоть до абсолютного нуля.

Замыкание термоэлектрической цепи приводит к появлению тока, сопровождающемуся рядом тепловых эффектов, о которых будет идти речь ниже. Если условиться считать положительным тот проводник, к которому идет ток через «горячий» спай, а отрицательным-другой, то все проводники I рода могут быть расположены в ряд, аналогичный ряду Вольта и относящийся к определенной температуре. Место проводника в этом ряду может меняться с изменением температуры.

Изучению температурной зависимости дифференциальной термо-э.д.с, а также влияния на ее величину различных примесей посвящено большое количество работ как советских, так и зарубежных физиков. К сожалению, обнаружение сколько-нибудь общих закономерностей в этом случае весьма

затруднительно. Исключение составляют ряд металлов и некоторые типы полупроводников.

Эффект Пельтье. Этот эффект, обнаруженный в начале тридцатых годов прошлого столетия, получил свое правильное истолкование в работах Ленца, относящихся к 1838 г. Заключается он в следующем: при протекании тока / через контакт двух проводников в зависимости от направления тока ежесекундно выделяется или поглощается в месте контакта некоторое количество тепла Пельтье (рис. 2).

Трудами Беккереля и других исследователей было установлено, что прямо пропорционально силе тока /:

Qj,=m, (1.2)

где П - так называемый коэффициент Пельтье.

Было также показано, что если ток, текущий через спай, совпадает по направлению с термотоком, который возник бы

от подогрева этого спая, то тепло Пельтье погло-щается, при обратном же направлении тока происходит выделение тепла. Так же как и эффект Зеебека, явление Пельтье наблюдалось при испытании самых различных материалов, а коэффициент Пельтье оказался величиной, сложным образом зависящей от температуры.

Эффект Томсона. В отличие от предыдущих, Этот эффект был сначала теоретически предсказан, а затем уже экспериментально обнаружен Томсоном в 1856 г. Наблюдается он при протекании тока через термически неоднородный проводник (рис. 3). При этом в отрезке проводника с разностью температур его концов 7 - Tq ежесекундно

f t » t t у у у » у

Рис. 3.