Прикладная физика

Термоэлементы. Рассмотрим опять цепь, составленную из одних только проводников первого рода. Электрический ток в такой цепи не возникает, т. е. сумма всех э. д. е., возникающих на гра­ницах соприкосновения различных проводников, равна ну­лю (правило Вольты). Это верно, однако, только в том слу­чае, если все спаи (места соединения проводников) нахо­дятся при одной и той же температуре. Положение станет совершенно иным, если мы нагреем какой-нибудь из спаев, поднеся к нему горелку (рис. 136).

В этом случае гальва­нометр показывает наличие в цепи электрического тока, протекающего все время, пока существует разность темпе­ратур между спаями а и Ь. Если переместить горелку так, чтобы нагревался спай 6, а спай а оставался холодным, то будет, как и прежде, наблюдаться ток, но противоположного направления. Эти опыты показывают, что э. д. с возникающая на границе соприкоснове­ния двух металлов, сама за­висит от температуры. В горя­чем месте соединения она больше, чем в холодном. Поэтому, если места соединения нахо­дятся при разных температу­рах, то сумма всех дейст­вующих в них э. д. с. уже не равна нулю и в цепи возника­ет - некоторая результирую­щая э. д. с, поддерживаю­щая в ней длительный элек­трический ток.

Таким образом, в цепи, соcтавленной из различных ме­таллов, места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует э. д. с, называемая термоэлектро­движущей силой (термо-э. д. с). Описанное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (1770—1831) и получило название термоэлектри­чества, а всякую комбинацию разнородных проводников первого рода, образующих замкнутую цепь, называют тер­моэлементом.

Располагая более чувствительным гальванометром, мы можем обнаружить заметный ток при меньшей разности тем­ператур спаев а и б. Достаточно поместить один из спаев в горячую воду или даже просто зажать его в пальцах, ос­тавив второй при комнатной температуре, чтобы возник ток в цепи. Если оба спая поместить в воду одной и той же тем­пературы, то температура спаев сравняется и ток прек­ратится. Если теперь, оставляя спай б в горячей воде, вы­нуть спай а и охладить его, то в цепи опять появится ток, идущий в обратном направлении. Точно так же термоэлект­рический ток возникает в том случае, если один из спаев находится при комнатной температуре, а другой при более низкой, например в твердой углекислоте (сухой лед). Та­ким образом, непосредственная причина возникновения термо-э. д. с. есть разность температур обоих спаев. При этом температура тех участков цепи, которые состоят из однородного по составу материала, не играет практически никакой роли. Если температура обоих спаев одинакова, то и полная термо-э. д. с. в цепи равна нулю независимо от того, находятся ли оба спая при очень высокой темпера­туре или при очень низкой.

О пыт показывает, что термо-э. д. с. термоэлементов, вообще говоря, невелика и приблизительно пропорциональ­на разности температур спаев. В табл. 6 даны термо-э. д. с. для двух термопар: медь — константан и платина — платинородий (сплав: 90% платины и 10% родия) при температу­ре холодного спая 0°С.

Существование термо-э. д. с. и тока в цепи проводников первого рода при наличии разности температур в двух точках цепи не стоит; конечно, в противоречии с законом сохранения энергии. Для поддержания разности темпера­тур в цепи, по которой идет ток, необходимо к ней подводить тепло, за счет этого тепла и совершается работа в тер­моэлектрической цепи.

Термоэлементы в качестве генераторов. Термоэлемент представляет со­бой тепловой генератор электрического тока, т. е. прибор, в котором часть тепла, нагревающего горячий спай, превра­щается в электрическую энергию; остальная часть тепла от­дается холодным спаем в окружающую среду. Однако вслед­ствие большой теплопроводности металлов тепло, пере­ходящее путем теплопроводности от горячего спая к холод­ному, значительно больше, чем тепло, превращаемое в электрическую энергию. К тому же из электрической энер­гии, создаваемой термоэлементом, некоторая доля превра­щается в самом термоэлементе в тепло и не может быть ис­пользована. Обусловленные этими причинами затраты теп­ла настолько велики, что к. п. д. термоэлементов из метал­лических проводников не превышает 0,5 %, тогда как для идеальной тепловой машины мы должны были бы ожидать при разности температур, -равной 300 °С, к. п. д. около 50 %. Поэтому металлические термо­элементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока.

О днако термо-э. д. с. могут возникать также в цепях, содержащих места соприкосновения металлов с некоторы­ми специально изготовленными полупроводниками. При наличии разности температур между такими спаями воз­никает термо-э. д. с, которая в десятки раз превышает термо-э. д. с, чисто металлических термоэлементов и достигает 0,1 В на 100 °С разности температур. Вместе с тем вследствие малой теплопроводности полупроводников со­отношение между количеством теплоты, превращаемой в электрическую энергию, и количеством теплоты теряемой путем теплопроводности и выделяемой током, становится гораздо более благоприятным. К. п. д. полупроводниковых термоэлементов достигает 15 % и может быть еще повышен. Полупроводниковые термоэлементы позволяют уже реаль­но поставить вопрос о создании достаточно экономичных технических тепловых генераторов тока, в которых тепло­вая энергия непосредственно превращается в электриче­скую.

Для сравнения можно указать, что в паровозах топливо используется с к. п. д. от 4 до 8 %, а в паровых машинах малой мощности к. п. д. равен 10 %. Впрочем, в лучших тепловых электростанциях к. п. д. достигает 30 %, а в двигателях внутреннего сгорания, работающих на высо­кокачественном жидком топливе, он доходит до 40—50 %. Изучение свойств полупроводников показало, что су­ществуют полупроводники двух различных типов. В одних ток в горячем спае идет от металла к полупроводнику, в других — от полупроводника к металлу. Поэтому выгодно строить полупроводниковые термоэлементы так, как пока­зано на рис. 137. При этом термо-э. д. с, создаваемые на контактах каждого из полупроводников с металлом, скла­дываются. Соединяя последовательно нужное число таких термоэлементов, можно получить батарею с достаточно вы­сокой термо-э. д. с.

Измерение температуры с помощью термоэлементов. Самым важным применением металлических термоэлемен­тов является их использование для измерения температуры. Если один из спаев термоэлемента поддерживать при не­изменной температуре, например при комнатной или, в случае более точных измерений, при температуре тающего льда, то термо-э. д. с. элемента будет зависеть исключитель­но от температуры второго спая. Если такой термоэлемент про градуировать, т. е. определить точную зависимость термо-э. д. с. от разности температур спаев, то, измеряя термо-э. д. с, развивающуюся в элементе, можно точно оп­ределить температуру тела, которого касается второй спай. На рис. 138 Показано устройство технического термоэле­мента (термопары).

Т ермопары для измерения температуры обладают перед обычными термометрами большими преимуществами. При помощи термопар можно измерить весьма высокие темпера­туры (до 2000°С и даже выше), при которых применение жидкостных термометров невозможно. Точно так же тер­мопары можно с успехом применять и для очень низких температур, при которых все известные термометрические жидкости замерзают. С термопарами можно получить весь­ма высокую точность измерения температур, определяемую точностью измерения термо-э. д. с. и намного превышаю­щую точность жидкостных термометров.

Очень существенно то, что термопары гораздо быстрее реагируют на изменения температуры. Громадное значение в технических установках имеет и то обстоятельство, что термопары дают возможность измерения температур на значительных расстояниях. Гальванометр может быть ус­тановлен даже на расстоянии нескольких километров от термоэлемента. Поэтому термопары весьма часто применяют­ся в технических контрольно-измерительных приборах и ав­томатах (самопишущих термометрах, пожарных сигнализа­торах и т. п.), а также и при научных исследованиях. Осо­бый научный интерес представляет применение термопар при измерении очень малых разностей температур. Применяя чувствительные устройства для измерения малой разности потенциалов, мы можем с помощью термопар измерить раз­ности температур вплоть до миллионных долей кельвина. Благодаря этой высокой чувствительности такие уст­ройства могут быть использованы для измерения интенсив­ности различных видов видимого или невидимого излуче­ния по производимому им тепловому действию (нагреванию). Направляя излучение на один из спаев термопары, мы вызо­вем его нагревание, тем большее, чем интенсивнее излучение. Измеряя возникающую разность температур, мы можем сде­лать заключение об интенсивности излучения.

Как уже ранее было указано, термо-э. д. с, разви­вающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала. Поэто­му для получения более значительных термо-э. д. с. от­дельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи. Схема устройства термобатареи изображена на рис. 139.

С тержни или проволоки из двух различных металлов за­штрихованы различно. Все спаи а поддерживаются при одной температуре, а все спаи b — при другой. Отдельные термоэлементы оказываются соединенными последователь­но, и поэтому термо-э. д. с. ба­тареи из п элементов в п раз больше, чем у одного термо­элемента.

Такие термобатареи приме­няются главным образом для измерений интенсивности какого-нибудь видимого или неви­димого излучения по производимому им нагреванию. Упо­требляющиеся для этого термоэлектрические радиометры или термостолбики содержат маленькую термобатарейку, часть спаев которой, например все четные спаи, обращена в сторону излучения, а все нечетные находятся с задней стороны прибора и не подвергаются действию излучения. Па­дающее на открытые спаи излучение нагревает их, и темпе­ратура защищенных и незащищенных спаев оказывается различной, отчего в гальванометре, присоединенном к тер­мостолбику, возникает термоток. Чувствительность таких приборов может быть сделана, весьма высокой, например можно обнаружить тепловое излучение человеческого тела (рис. 140).

Таким образом, чувствительные термопары могут слу­жить для обнаружения даже не очень сильно нагретых тел, находящихся на некотором — иногда довольно значитель­ном — расстоянии от наблюдателя. Такие приборы имеют не только очень важные чисто научные применения, но и лежат в основе применяющихся на практике методов так называемой термопеленгации, т. е. обнаружения на рас­стоянии (например, с самолетов) городов, заводов, парохо­дов и т. п. по их тепловому излучению.

ВОПРОСЫ:

1. В каком случае в цепи составленной из проводников первого рода не возникает электрический ток?

2. От чего зависит ЭДС, возникающая на границе соприкосновения двух металлов?

3. Что такое термоэлектродвижущая сила?

4. Что называется термоэлектричеством?

5. Кто открыл термоэлектричество?

6. Что называется термоэлементом?

7. Укажите причину возникновения термоэдс.

8. Почему термоэлементы непригодны для использования в качестве генераторов тока?

9. Какие термоэлементы позволяют использовать их в качестве генераторов тока?

10. Что значит "проградуировать" термоэлемент?

11. Каким образом термопары используют для измерения температуры?

12. Укажите, какими существенными преимуществами обладают термопары по сравнению с обычными термометрами.

13. Где применяются термопары?