3.2. Термоелектричні явища та їх застосування

1. Термоелектрорушійна сила. Розглянемо замкнене коло, яке складається з двох металевих провідників 1 і 2 (рис. 3.4).

За другим правилом Кірхгофа (а також за законом Ома) електрорушійна сила , прикладена до цього кола, дорівнює сумі спадів напруги U₁ і U₂ відповідно на ділянках a1b і b2a:

Згідно з першим законом Вольта (рівняння (3.4)) при однаковій температурі обох спаїв (Т_а= Т_в=Т) маємо

Якщо температури спаїв Т_а та Т_в різні (наприклад Т_а> Т_в), то

(3.5)

де – стала, яка характеризує властивості двох розглянутих взятих металів. У цьому випадку у замкненому колі виникає термоелектрорушійна сила, прямо пропорційна різниці температур обох спаїв. У такому колі починає протікати електричний струм, напрям якого при Т_а> Т_в і n₀₁> n₀₂ вказано стрілками на рис. 3.4. Щоб підтримувати постійний струм, необхідно більш нагрітому спаю передавати теплоту, а від менш нагрітого – безперервно її відводити. У такому випадку відбувається перетворення внутрішньої енергії системи в електричну, що повністю узгоджується з другим законом термодинаміки. Коефіцієнт корисної дії замкненого циклу, що описує подібне перетворення внутрішньої енергії в електричну, становить 0,1%. Термоелектрорушійна сила при різниці температур не перевищує декількох мілівольт.

Термоелектричні явища у металах широко використовують для вимірювання температури. Для цього використовують термоелементи, або термопари, що являють собою дві дротини, виготовлені з різних металів або сплавів, для яких значення коефіцієнта  у формулі (3.5) відоме. Кінці цих дротин зварюють (рис. 3.5). Один спай вміщують у середовище, температуру Т₁ якого потрібно виміряти, а другий – у середовище з відомою сталою температурою Т₂ (наприклад, у посудину Дьюара з танучим льодом). Термопари мають ряд переваг порівняно із звичайними термометрами: вони дають змогу вимірювати температури в широкому діапазоні – від десятків до тисяч градусів абсолютної шкали. Термопари мають велику чутливість і тому дають змогу вимірювати дуже малі різниці температур (до 10^-6 градуса). Так, термопари залізо-константан використовують для вимірювання термператур до 500 ^оС і мають чутливість 5,3∙10^-5 В/град. Термопара платина – платинородій (до 90% платини і 10% родію) має чутливість 6∙10^-6 В/град, її використовують для вимірювання температур від дуже низьких до тисяч градусів. За допомогою термопари можна не тільки виміряти температуру, а й стежити за її зміною в часі. Другий закон Вольта дає можливість встановити гальванометр на значному віддаленні від термопари і успішно застосовувати термопари в контрольних і автоматичних пристроях (терморегулятори тощо). Щоб збільшити чутливість термопар, застосовують їх послідовне з’єднання, які називають термобатареями, або термостовпчиками.

2. Ефект Пельтьє. При пропусканні електричного струму через коло, складене з двох різних спаяних металів, відбувається не тільки їх нагрівання внаслідок виділення джоулевої теплоти, а і додаткове виділення теплоти в одному зі спаїв, тоді як інший спай охолоджується (рис. 3.6).

Я кщо напрям електричного струму збігається з напрямом термоелектричного, що виникає при умові Т_а> Т_в (рис. 3.4), то відбувається нагрівання спаю b і охолодження спаю а. При зміні напряму електричного струму на зворотній спай b охолоджується, а спай а нагрівається. Це явище відкрив Пельтьє у 1834р.; його називають ефектом Пельтьє.

Ефект Пельтьє, як поява термо-ЕРС, зв’язаний з виникненням контактної різниці потенціалів на межі двох металів. Припустимо, що метал 1 спаю а заряджено позитивно, а метал 2 – негативно, тобто що n₀₁ > n_02. Тоді для зображеного на рис. 3.6 напряму струму, що збігається з напрямом термоелектричного струму, електрони в спаї а рухаються в напрямі 1  2 і гальмуються електричним полем контактного шару. При цьому кінетична енергія електронів частково перетворюється в їх потенціальну енергію, так що температура електронного газу і кристалічної решітки, що перебуває з ним у термодинамічній рівновазі, знижується – спай а охолоджується. У спаї b відбувається зворотнє явище. Електрони, що рухаються у цьому спаї в напрямі 2  1 прискорюються електричним полем контактного шару. Тому температура спаю b підвищується. Очевидно, що при зміні напряму струму на протилежний, спай а нагрівається, а спай b – охолоджується.

Ефект Пельтьє в металах можна використати для виготовлення холодильної машини. Однак економічність такої машини дуже мала. Значно економічнішими є напівпровідникові холодильні пристрої.

Слід зазначити, що тлумачення контактних термоелектричних явищ, засноване на уявленнях про класичний електронний газ у металах, не дає правильних відповідей на багато запитань. Наприклад, незрозумілим залишається питання про те, чому всі термоелектричні ефекти, пов’язані з контактом двох металів, дуже малі. Причина цих труднощів класичної теорії електропровідності металів полягає в тому, що для опису властивостей електронів провідності у металах та інших твердих тілах не можна застосувати класичні уявлення про електронний газ, а варто застосовувати квантову теорію, яка розглядається в розділі «Квантова механіка».