Понятие термоэлектрического эффекта Зеебека

Если прохождение тока в замкнутой цепи вызывает нагревание одних и охлаждение других спаев, то нагревание одних и охлаждение других контактов приводит к появлению тока в цепи (эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект) в отсутствие внешнего источника.

Пусть температура Т₀ во всех точках однородного металлического стержня (рис.2) одинакова; значит, повсюду одинаковы концентрации, средние энергии и скорости свободных электронов.

Рис. 2

При этом через любое сечение 1-1 стержня за единицу времени проходит одинаковый поток электронов слева направо и справа налево.

Нагреем один конец стержня и будем его поддерживать при постоянной температуре Т>Т₀. Противоположный же конец будем непрерывно охлаждать так, чтобы его температура Т₀ оставалась неизменной. Тогда в стержне установится градиент температуры, и через него будет идти постоянный поток тепла. Перенос тепла в металлах осуществляется в основном движением свободных электронов. При этом электроны, проходящие через сечение 1-1 из области с более высокой температурой, переносят с собой больше энергии, чем электроны, проходящие через то же сечение в противоположном направлении. Вследствие различия скоростей электронов, находящихся в областях с различными температурами, окажется различным и число электронов, проходящих через сечение 1 - 1 в противоположных направлениях. Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль стержня создает постоянную разность потенциалов на его концах, величина которой пропорциональна градиенту температуры.

Если спаять в одном месте два разнородных металла 1 и2, и нагреть спай до некоторой температуры Т, превышающей температуру обоих концов Т₀ (рис.3, а), то из-за различного падения потенциала обоих металлов и их электронных концентраций потенциалы свободных концов будут различны, и между металлами возникнет разность потенциалов U. Если нагреть такой спай до другой температуры Т' (рис.3, б), то между свободными концами установится другое значение разности потенциалов U’.

Рис. 3

Соединяя свободные концы одинаковых металлов (как показано на рис.3 пунктиром), мы видим, что в замкнутой цепи из двух разнородных металлов возникает электродвижущая сила

,

если между спаями поддерживается постоянный перепад температур . Эта величина называется термоэлектродвижущей силой (термоэдс) и создает в замкнутой цепи (рис.4) постоянный электрический ток.

Рис. 4.

Производная

характеризует возрастание термоэдс для данной пары металлов при нагревании одного из спаев на 1° и обычно весьма мала. Для пар железо - медь, железо - константан, широко применяемых в технике при измерении температур, е_{1, 2} имеет порядок 50 мкв/град. Для высокотемпературной пары платина-платинородиевый сплав этот коэффициент примерно в 10 раз меньше.

Измеряя величину термоэдс, можно определить разность температур между спаями, помещенными в различные резервуары. Для таких практических применений подбирают термопары, у которых коэффициент е_1,2 в широком интервале температур остается практически постоянным. В этом случае э. д. с. прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев:

е_1,2 = const и .

Необходимо подчеркнуть принципиальную разницу между контактной разностью потенциалов и термоэлектрическими явлениями. Контактные потенциалы имеют сравнительно большую величину (порядка нескольких вольт) и характеризуют электрическое поле вне проводников между наружными поверхностями последних. Контактная разность потенциалов есть статический эффект, не исчезающий и при абсолютном нуле температуры. В противоположность этому термоэлектрические явления представляют собой чисто кинетические эффекты, наблюдаемые при наличии потоков тепла или заряда (т.е. тока). Возникающие при этом разности потенциалов по абсолютной величине малы (доли милливольта). При абсолютном нуле количество электронов n', обусловливающих эти эффекты, равно нулю и все термоэлектрические явления исчезают.

Постоянство е_1,2 и линейная зависимость соблюдаются далеко не всегда и не во всем интервале температур. Для ряда систем с повышением температуры горячего спая термоэдс изменяется не монотонно, сначала возрастает, а затем убывает и даже переходит через нуль (точка инверсии). Кроме того, величина термоэдс (и коэффициента Пелътье) чувствительна к внешним механическим воздействиям, искажающим структуру металла и энергетические уровни электронов. Поэтому применяемые в технике и для научных исследований термопары всегда нуждаются в тщательной индивидуальной градуировке.

В электрических схемах и приборах всегда имеются спаи или контакты различных по своему составу и обработке проводников. При колебаниях температуры окружающей среды в этих местах контактов возникают неконтролируемые блуждающие термоэдс. Вследствие малости этих термоэдс они обычно не сказываются на работе приборов, но при очень точных и тонких измерениях необходимо учитывать и предотвращать возможность подобных влияний.

С другой стороны, термоэдс имеет широкое полезное практическое применение, как простой электрический метод измерения температур. При подобных намерениях с помощью термопар или термоэлементов одни из спаев поддерживается при вполне определенной постоянной температуре T₀ (например, помещается в тающий лед) и измеряется идущий в замкнутой цепи термоток

с помощью гальванометра, как это изображено на рис.5.

Рис. 5.

В более грубых технических термопарах один из спаев имеет просто температуру окружающей среды. Для повышения чувствительности термоэлементов их соединяют последовательно в термобатарею (рис.6).

Рис. 6.

При прецизионных измерениях предпочтительнее измерять не термоток, а непосредственно термоэдс, компенсируя ее известной электродвижущей силой.