4. Объяснение экспериментально полученных результатов

В этой установке более наглядным является преобразование тепловой энергии в магнитную, на котором настаивал Томас Иоганн Зеебек.

Рассмотрим первую причину. Несмотря на то, что в проводниках свойства электронного газа существенным образом отличаются от классических, для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципиальное значение.

1. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, (до нагревания), то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга, поэтому тока нет и магнитная стрелка не отклоняется.

Если же температура спаев различна, (что происходит при нагревании), то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термоЭДС:

Для свободных электронов α линейно меняется с температурой

ε_Т = a₁₂ (T_A – T_B) = a₁₂ ΔT

В нашем опыте для железа и алюминия⁷:

α₁ + 15мкВ/⁰С, α₂ - 0,4 мкВ/⁰С. Тогда α₁₂ 15,4 мкВ/⁰С.

Если учесть, что нагревание проводников начинается с комнатной температуры ( 20⁰С), то ΔТ 50 ⁰С

Тогда:

Т.е. милливольтметр и миллиамперметр такие изменения не улавливают.

2. Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоЭДС, связанную с неоднородным распределением температуры в проводнике. Если изменение температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле Е_Т, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов (рис. 2).

Напряженность возникающего термоэлектрического поля определяется разностью изменения температуры вдоль образца, а разность потенциалов (термоЭДС) - разностью температур.

4. Заключение

Мы достаточно глубоко ознакомились с основами термоэлектричества, проанализировали суть явления преобразования тепловой энергии в электрическую и магнитную; провели эксперименты с системой разнородных проводников и, подтвердив эффект Зеебека, провели анализ и исследования полученных электрического и магнитного полей.

Таким образом, цель, поставленная нами в начале работы: исследование некоторых задач термодинамики и магнетизма как решение экологической и энергетической проблемы, достигнута.

Решая поставленные в начале работы задачи, мы пришли к следующим выводам:

• Тепло, подведенное к спаю (или контакту) разнородных металлов, рождает электрический ток (эффект Зеебека);

• Эффект Зеебека, названный им магнитной поляризацией, усиливается как с увеличением числа «термомагнитных» пар, так и с ростом разности температур;

• В спае двух разнородных металлов может наблюдаться выделение или поглощение тепла (эффект Пельтье);

• Термоэдс обусловлена тремя причинами:

1) температурной зависимостью уровня Ферми, что приводит к появлению контактной составляющей термоэдс;

2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоэдс;

3) процессом увлечения электронов фононами, который дает еще одну составляющую - фононную.

• Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей

• Если нагреть одну из скруток двух металлов, магнитная стрелка начинает отклоняться (в наших опытах наблюдалось отклонение до 30°). В этой установке действительно наблюдается прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, но более наглядным является преобразование тепловой энергии в магнитную, на котором настаивал Томас Иоганн Зеебек

• В термопаре, спаянную из двух веществ – сурьма – свинец более наглядно представляется преобразование тепловой энергии в электрическую. За счет возникновения индукционного тока в установке колебания силы тока приобретают синусоидальный характер.

Сейчас термоэлектрическое явление используется главным образом для дистанционного измерения температуры. Что же касается его применения для получения электрического тока, то для металлических термопар КПД преобразования составляет всего около 0,1%. Гораздо выше коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар, у которых он уже сейчас доходит до 15% и более. К сожалению, и это значение мало, да и стоимость полупроводниковых материалов пока еще чересчур велика. Неудобно и то, что развиваемая металлическими термопарами электродвижущая сила весьма мала: например, для пары «алюминий—железо», о которой говорилось выше, при разности температур между горячим и холодным спаями 1 К ЭДС составляет всего около 15 мкВ. Для полупроводниковых термопар можно получить намного большие значения, но, как уже отмечалось, полупроводниковые материалы дороги и трудно обрабатываются.