Landsberg-1985-T2

,"

какого напряжения. Если же мы включим «навстр"ечу друг:,

другу» элементы с различными э. д. с., то напр~жение меж­

дукрайними полюсами будет равно разности э. д. с. обо­

их элемеНТО!J, причем положительным полюсом такой ба­

тареи будет положительный полюс элемента с большей

э. д. с. это остается справедливым и в том случае, если раз­

меры обоих элементов как угодно различны, так как на-

в этом случае результирующая э. Д. с., равная разности

обеих э. д. с. 'отдельных элементов, равна нулю. Е'сли же

э. д. с. этиХ..элементов различны, то результирующая э. д. с.

не рввна нулю, м в цепи будет идти ток. Источником этого 'тока будет элемент с большей э. д. с., а элемент с меньшей э. д. с. будет представлять собой для него просто нагруз­ ку (электролит,ическую ванну).

Соединим теперь между собой все положительные и все

отрицательные полюсы двух или нескольких элементов

. или иных источников тока и присоединим внешнюю цепь

(нагрузку) к общим зажимам составленной таким образом

батареи элементов (рис. 132). Такое,соединение'ИСТОЧНИI50В

тока для совместиого питания одной и тоЙ.же цепи называ­

ют nараллельным.

Если все пар~ллельно соединенные элементы имеют оди­ наковые э. д. с., то таК9ва же будет и э. д. с. всей батареи. Если же эти элементы имеют различные э. д. с., то э.· д. с.

батареи равна наибольшей из э. д. с.. параллельно соеди­

ненных элементов.

Между этими двумя случаями есть, однако, существен­ ное различие. Если э. д. с. всех элементов одинаковы, то.

при разомкнутой внешней цепи ток через цепь, состоящую

только из элементов, идти не будет, и ни один из этих эле­

ментов не будет расходоваться. Если же э. д. с. их различ­

ны, то и,паи разомкнутой внешней цепи более сильные ~ле­ менты,будут посыла:гь ток через .более слаБЫ,е и изнашивать­ ся. ~ри работе такой батареи на внешнюю цепь также часть

184

тока от более сильных элемеНТ~Б будет ответвляться и идти через более слабые. Это невыгодно, И· потому на практике

всегда соединяют параллельно только элементы с одинако­

BotI э. д. с.

Сопротивление параллельно соединяемых элементов мо­

жет быть .одинаковым или различным. Общее сопротивле­ ние батареи, которое мы можем вычислить по формуле ДЛЯ определения параллельно соединенныХ СОПРОТИБ.'IениЙ, всег­

да меньше, чем сопротивление каждого из элементов- в от­

дельности. В частности, внутреннее сопротивление бата­

? 82.1. Чемуравно напряжение на крайних полюсах батареи,

• составленной из десяти последовательно соединенных элементов Лекланше?

82.2. «Вольтов столб» собирзют так: на медную пластинку накла­

дывают смоченное в растворе серной кислоты сукно, на сукно

помещают цинковую пластинку, затем опять медную, сукно, цин­

ковую пластинку и т. д. Чему равно напряжение между крайними

пластинками вольтова столба, содержащего 50 медных и 50 цин­

ковых пластинок?

82.3. Элемент Вольты и элемент Лекланше соединены «навстречу

друг другу» (например, отрицательный полюс одного элемента

ренние сопротивления? Для решения воспользуйтесь формулой

(81.3). Сопротивлением соединительных ПРОБОДОВ прене~регите. Проверьте &тот,результат на опыте. .

18~

82.5. Два элемента с одинаковыии Э.Д.с. соединены одноимеННЫМИ

полюсами (<<навстречу друг другу»), а их свободные полюсы (тоже одноименные) замкнуты на ВНeIlIНЮЮ цепь (рнс. 134). Есть ли в этой цепи ток? Чему равно напряжение на зажимах каждого из

элементов?

82.6.Элемент Даниеля с внутренним сопротивлением 0,390 Ом

за~кают на внеШнюю цепь, имеющую сопротивление 0,7 Ом.

Вычислите силу тока в цепи.

82.7.Генератор постоянного тока, развивающий напряжение 120 В

на разомкнутых зажимах, питает 100 параллельно соединенных

одинаковых лампочек накаливания с сопротивлением 60 Ом каж· дая. Внутреннее сопротивление генератора равно 0,05 Ом, а сопро.

тивление поДводящих проводов равно 0,1 Ом. Вычислите силу

тока в проводах.

82.8. Напряжение, измеренное на зажимах разомкнутого элемен· та, равно 1,8 В, а при замыкании этого элемента на сопротивление 1 Ом в цепи возникает ток 1 А. Чему равно внутреннее сопротив.

ление элемента?

82.9. Некоторый элемент, б удучи замкнут на сопротивление 4.5 Ом, дает в цепи ток 0,2 А, а будучи замкнут на сопротив, ление 10 Ом,- ток 0,1 А. Вычислите Э.Д.с. элемента и его внут­

реннее сопротнвление.

82.10. Напряжение между полюсами разомкнутой электрической машины равно 10 кВ. Однако при замыкании машины на гальва· нометр последний показывает ток всего 0,1 мА. Чему равно внутреннее сопротивление машины? Сопротивлением гальвано­

метра можно пренебречь, так как оно значительно меньше

внутреннего сопротивления машины.

82.11.Два элемента Даниеля, имеющие Э.д.с. 1,1 В каждый, сое­ динены параллельно. Чему равна Э.Д.с. такой батареи?

82.12.Пять элементов, с внутренним сопротивлением 1 Ом у каж­

дого, соединены последовательно. Чему равно внутреннее сопро­

тивление батареи?

82.13. Трн элемента, с внутренним сопротивлением 1,5 Ом у каж­

дого, СQединены параллельно. Найдите внутреннее сопротивление батареи.

82.14. Два элемента, каждый из которых обладает 9.Д.С. 1,1 В и

внутренним сопротивлением 1 Ом, соединены последовательно и замкнуты на внешнюю цепь с .сопротивлением 2,4. Ом. Какова

сила тока в цепи?

82.15. Три элемента, имеющие Э.Д.с. 1,1 В и внутреннее сопротив.

ление 0,5 Ом каждый, соединены параллельно и питают лампоч.

ку, сопротивление которой равно 0,6 Ом. Какой ток проходит

через лампочку?

82.16. Сухая батарейка для карманного фонаря содержит три

маленьких элеМента Лекланше, соединенных последовательно.­ Лампочка карманного фонаря требует напряжения 3,5 В и берет

:rOK 0,2 А. Вычислите внутреннее сопротнвление батарейки, зная,

что при замыкании ее на лампочку последняя горит с нормальным

накалом. -

82.17. Два одинаковых аккумулятора соединяютсJf параллельно.

Как изменяются Э.д.с., внутреннее сопротивление и емкость?

82.18: Два одинаковых аккумулятора соединяются последова­ тельно. -Как изменяются э.Д.с., внутреннее сопротивление и ем­ кость?

186

82.19. На рис. 135 изображено так называемое смешанное соеди­

нение шести гальванических элементов. Полная бз,тарея пред­

ставляет собой три параллельна соединенные батареи 1, II, 111,

каждая из которых содержит два элемента, соединенных· последо­

вательно. Каковы э.Д.с. и сопротивление этой батареи, если для

каждого элемента в отдельности Э.Д.с. равна 1,1 В, а сопротивл(!­ ние равно 1,5 Ом?

§ 83. Термоэлементы. Вернемся снова к рассмотрению цепи, составленной из одних только проводников первого рода.

Мы видели в § 75, что электрический ток в такой цепи не

возникает, т. е. сумма всех э. д. с., вооникающих на гра­

ницах соприкосновения различных проводников, равна ну­

лю (правило Вольты). Это верно, Однако, только в том слу­

чае, если все спаи (места соединения проводников) нахо­

дятся 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 гальва­

нометр показывает наличие в цепи электрического тока,

протекающего все время, пока существует разность темпе­

ратур между спаями а и Ь. Если переместить горелку так, чтобы нагревался спай Ь, а спай а оставался холодным, то будет, как и прежде, наблюдаться ток, но противоположного направления. Эти опыты показывают, что э. д. с., возникаю­

щая на границе соприкоснове­

ния двух металлов, сама за­

висит от температуры. В горя­

чем месте соединения она боль­

ше, чем в холодном. Поэтому,

если места соединения нахо­

дятся при разных температу­

рах, то сумма всех дейст­

тавленной из различных ме-

таллов, места спаев которых находятся при неОДинаковых

температурах, действует э. д. с., называемая термоэлектро:

двuжущей сuлой (термо-э.д. с.). Описанное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком .Томасом Иоганном 3еебеком (1770 -1831) и получило название термоэлектри­ чества, а всякую комбинацию разнородных проводников

187

первого рода, образующих замкнутую цепь, называют тер:­

моэлемен,mQМ.

Располагая более чувствительным гальванометром, мы можем обнаружить заметный ток при меньшей разности тем­ ператур спаев а и Ь. Достаточно поместить один из спаев в

горячую' воду или даже просто зажать его в пальцах, ос­

тавив второй при комнатной 'температуре, чтобы возник ток

в цепи. Если оба спая поместить в воду одной и той же тем­

пературы, то температура спаев сравняется и ток прек­

ратится. Если теперь, оставляя спай Ь в горячей воде, вы­

нуть спай а и охладить его, то в цепи опять появится ток, .

идущий в обратном направлении. Точно так же термоэлект­ рический ток возникает в том случае,. если один из спаев находится при комнатной температуре, а другой при более

низкой, например в твердой углекиелоте (сухой лед). Та­

ким 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 темпера­

туре или при очень низкой.

т а 6 л и ц а 6. Термо-з. Д. с. иаибодее употребительных термопар, мВ

дий

Опыт показывает, что термо-э. д. с. термоэлементов,

вообще говоря, lIевелика и приблизительно пропорциональ­

на разности температур спаев. В табл. 6 даны термо-э. д. с.

для двух термопар: медь - константан и платина - плати­

нородий (сплав: 90% платины и 10% родия) при температу­ ре холодного спая оос.

СуществоваIIие 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 темпера~

тур в цепи, по которой идет ток, необходимо к ней подво-

188

-дить тепло, за счет этого тепла и совершается работа в тер-

моэлектрической' цепи. . . . '

Таким образом, термоэлемент представляет собой Тепловую машину,

преобразующую тепловую энергию в энергию электрического тока. Го­

рячий спай играет роль, аналогичную котлу или нагревателю паровой машииы, а холодный спай играет роль ШfЛВДИтеля (см. ТОМ 1). Если к

горячему спаю, находящемуся при термодинамической температуре T1 ,

мы подводим количество теплоты Ql' то часть этой ТE:.IlJlОТЫ Qa перейдет

к холодному спаю, нвходящемуся при температуре Та, а разность

Ql- Qa преобразуется в энергию тока. К. п. д. термоэлемента, т. е. доля

подводимого тепла, преобразуемая в электрическую энергию, есть

ТI,=QiQ1Qa. (83.1)

Мы знаем (см. TOM.I), что для тепловой машины в самом лучшем слу­

чае (если бы не было никаких потерь) к. п. д. мог бы иметь значение

предыдущем параграфе, что термоэлемент представляет со­ бой тепловой генератор электрического тока, т. е. прибор, в котором часть тепла, нагревающего горячий спай, превра­

щаеТся в электрическую энергию; остальная часть тепла от­

дается холодным спаем в окружающую среду. Однако вслед­ ствие большой теплопроводности металлов тепло, пере­

ходящее путем теплопроводности от горячего спая к холод­

ному, значительно больше, чем тепло, превращаемое в

электрическую энергию. К тому же из электрической энер­

гии, создаваемой термоэлементом, некоторая доля превра-

. щается в самом термоэлементе в тепло и не может быть ис­

пользована. Обусловленные этими причинами затраты теп­

ла настолько велики, что к. п. д. термоэлементов из метал­

лических проводников не превышает 0,5 %, тогда как для

идеальной тепловой машины мы должны были бы по фор­

муле (83.2) ожидать при разности температур, .равной

300 ос, к. п. д. около 50 %. Поэтому металлические термо­

элементы совершенно непригодны в Качестве технических

генераторов тока.

Однако термо-э. д. с. могут возникать также в цепях,

содержащих места соприкосновения метал,JlОВ с некоторы­

ми специально изготовленными полупроводниками. При

наличии разности температур между такими спаями BO:;l-

"икает термо-э. д. с., которая'В десятки раз превышает:

термо-э. д. с. чисто ldеталлических термоэлементов и до-

189

:';'

. стигает 0,1 В на 100 ос разности температур. Вместе с тем

вследствие малой теплопроводности полупроводников со­ отношение 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 реаль­

но поставить вопрос о создании достаточно ЭКОНОМИЧIIЫХ

технических тепловых генераторов тока, в которых тепло­

вая энергия непосредственно превращается в электриче­

скую.

Для сравнения можно указатЬj 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 высо­

кокачественном жидком топливе, он доходит до 40-50 %.

Рис. 137. Схема устройства полупроводнико­

цепь приеоеДИl1яетея к ХОЛОДI1ЫМ копнам

стеРЖl1ей 1 и 2, охлаждаемым воздухом или ПРОТОЧl10Й водой

Изучение свойств полупроводников показало, что су­ ществуют полупроводники двух различных типов. В одних

ток в горячем спае идет отметалла к полупроводнику, в

других - от полупроводника к металлу. Поэтому выгодно

строить полупроводниковые термоэлементы так, как пока­

зано на рис. 137. При этом термо-э. д. с., создаваемые на

контактах каждого из полупроводников с металлом, скла­

дываются. Соединяя последовательно нужное число таких

терrviоэлементов, можно получить батарею с достаточно вы­

сокой термо-э. д. с.

§ 85. Измерение температуры с помощью термоэлементов.

Самым важным применением металлических термоэлемен­

тов является их использование для измерения температуры.

Если один из спаев термоэлемента поддерживать при не­

изменной температуре, например при комнатной или, в

случае более точных и~мерений, при температуре тающего

190

льда, то термо-э. д. с. элемента будет зависеть исключитель-

. но от температуры второго спая. Если такой термоэлемент

проградуировать, т. е. определить точную зависимость термо-э. д. с. от разности температур спаев, то, измеряя термо-э. Д. с., развивающуюся в элементе, можно точно оп­

ределить температуру тела, которого касается второй спай.

На рис. 138 r10казано устройство технического термоэле-

Рис. 138. Техническая термопара, употребляемая для измерения тем­

пературы топочных газов. Спай из платиновой проволоки и проволоки из платинородия помещается в зону высокой температуры (<<горячий спай»). Для предотвращения химического действИя горячих газов на термопару спай защищен фарфоровой трубкой 1. Свободные концы проволок подведены к зажимам 2 и 3, которые присоединяются к галь-

ванометру, проградуированному в градусах Цельсия

Термопары для измерения температуры обладают перед обычными термометрами большими преимуществами. При

помощи термопар можно измерить весьма высокие темпера­

туры (до 2000 ос и даже выше), при которых применение

жидкостных~термометров невозможно. Точно так же тер­

мопары можно с успехом применять и для очень низких

температур, прu которых все известные 'термометрические

жидкости замерзают. С термопарами можно получить весь­

ма высокую точность измерения температур, определяемую

точностью измерения термо-э. д. с. и намного превышаю­

щую 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 ус­

тановлен даже на расстоянии нескольких километров от

термоэлемента. Поэтому термопары весьма часто применяют­

ся в технических контрольно-измерительных приборах и ав­

TOMaTa~ (самопишущих термометрах, пожарных сигнализа­

торах и т. п.), а также и при научных исследованиях. Осо­

бый научный интерес представляет применение термопар при измерении очень малых разностей температур. Применяя

'!увствительные устройства для измерения малой разности

потенциалов, мы можем с помощью термопар измерить раз­

ности температур вплоть до миллионных долей кельвина.

,191

Благодаря этоо высокой чувствительности такие уст­ ройства могут быть использованы для измерения ин~нсив­

ности различных видов видимого или невидимого излуче­

lIия по производимому им тепловому действию (нагреванию).

Направляя излучение на один из спаев термопары, мы. вызо­ вем его нагревание, тем ббльшее, чем интенсивнее излучение.

Измеряя возникающую разность температур, мы можем сде­

лать заключение об интенсивности излучения.

Как мы уже указывали (табл. б),.термо-э. д. с., разви­ вающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала. Поэто­

му для получения более значительных термо-э. д. с. от­

дельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи. Схема устройства термобатареи изображена на рис. 139.

Стержни или проволоки из двух различных металлов за­

штрихованы различно. Все спаи а поддерживаются при од­

измерения интенсивности какого-нибудь видимого или неви­ димого излучения по производимому им нагреванию. Упо­ требляющиеся для этого термоэлектрические радиометры иди 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 подвергаютсядействщо излучения. Па- •

дающее на открытые спаи излучение нагревает их, и темпе­

ратура защищенных и незащищенных спаев оказывается

различной, отчего в гальванометре. присоединенном к тер­

мостолбику, возникает термоток. Чувствительность таких

приборов может быть сделана. весьма высокой, например можно обнаружить тепловое излучение человеческого тела

(рис. 140).

Таким образом, чувствительные термопары могут слу­

жить для обнаружения даже не очень сильно нагретых тел,

lIаходящихся на некотором - иногда довольно значитель­

ном - расстоянии от наблюдателя. Такие приборы имеют

не только очень важные чисто научные применения, но и

лежат в основе применяющихся на практике методов так·

192