8.9 Термоелектричні явища. Ефекти Зеебека і Пельтьє

Розглянемо замкнуте коло із двох металів 1 і 2 (рис.8.14). В ньому є два контакти: а і б. Нехай температури цих контактів Т_а і Т_б різні. В такому контурі виникає електрорушійна сила, яка називається термо-е.р.с., і протікає електричний струм. Знайдемо термо-е.р.с. ε. Очевидно, що вона буде дорівнювати, у відповідності із 2-м законом Кірхгофа, сумі КРП на контактах. Використаємо (8.28)

Після спрощень, маємо

. (8.29)

Одержали, що термо-е.р.с. пропорційна різниці температур контактів. Це явище прямого перетворення теплової енергію в електричну називається термоелектричним явищем. Воно було вперше відкрите німецьким фізиком Т.Зеебеком (1770-1831) у 1821 р. на контакті мідь-вісмут. Цей ефект лежить в основі вимірювання температури за допомогою термопар. Першу термопару запропонував і виготовив теж Зеебек. Вона уявляє собою два різних провідники, спаяні одними кінцями, а до інших вмикається гальванометр, яким і вимірюють термо-е.р.с (рис.8.15). Термопару попередньо градуюють по відомій різниці температур для знаходження коефіцієнта α термо-е.р.с. По (8.29) знаходять різницю температур, і, знаючи температуру Т_а, де знаходиться гальванометр, можна знайти температуру Т_б другого контакту.

У 1834 р. французький фізик Ж.Пельтьє (1785-1845) виявив протилежний ефект, який був названий його ім’ям. Ефект Пельтьє заключається в тому, що при проходженні струму через контакт різних провідників у контактах крім джоулевого тепла, в залежності від напрямку струму, виділяється чи поглинається додаткове тепло, назване теплом Пельтьє. На відміну від тепла Джоуля-Ленца, яке пропорційне квадрату струму, тепло Пельтьє пропорційне першій степені струму і змінює знак при зміні напрямку струму. Пояснимо механізм виділення цього тепла. Нехай через контакти двох металів від зовнішнього джерела ε пропускається струмI (рис.8.16). Нехай КРП має таку полярність, що метал 1 заряджається відносно металу 2 негативно. Електрони рухаються в контакті а проти контактного поля Е_а і тому ним прискорюються. Ця додаткова кінетичне енергія черпається за рахунок зменшення теплової енергії контакту, і тому він охолоджується. В контакті б електрон гальмується контактним полем Е_б і віддає йому частину кінетичної енергії направленого руху. Контакт б додатково нагрівається. Отже Т_б > Т_а. Таким чином електрон виконує роль переносчика енергії від одного контакту до іншого, а саме від холодного (а) до гарячого (б). А ц вже є не що інше, як холодильна машина. Саме так на контакті вісмут-сурьма Е.Ленц у 1836 році заморозив краплю води.

8.10 Термоелектронна емісія. Струм у вакуумі

Термоелектронна емісія – це явище випускання електронів з поверхні нагрітих тіл. Воно було відкрите у 1883 році американським вченим Т.Едісоном (1847-1931). При підвищенні температури теплова енергія електронів зростає, тому кількість електронів, здатних подолати поверхневий подвійний електричний шар (енергію виходу), зростає. Це явище забезпечує протікання струму в електронних лампах, тобто являється джерелом вільних носіїв заряду для протікання струму у вакуумі. Вивчається це явище на прикладі електронної лампи-діода (рис.8.17). Досліджується вольт-амперні характеристики (рис.8.18). Розглянемо особливості цих характеристик та їх пояснення.

а) При відсутності анодної напруги (U = 0) анодний струм відмінний від нуля (I ≠ 0). Це зумовлено можливістю електронів потрапити на анод за рахунок енергії, яка залишилась після подолання роботи виходу. Тобто електрони після емісії мають деяку початкову швидкість. Ясно, що із зростання температури катода цей струм теж зростає (див.рис.8.18, криві Т₁ і Т₂).

б) При деякій напрузі струм перестає зростати і виходить на насичення. Це зумовлене тим, що при великих напруженостях прискорюючого електричного поля всі емітовані електрони потрапляють на анод. При підвищенні температури катода його емісійна здатність зростає, і струм насичення теж зростає. Залежність густини струму насичення від температури катода була одержана Річардсоном і Дешманом

. (8.30)

Стала А = 120 А/(см²∙К) однакова для всіх металів. Досліджуючи залежність (8.30), можна визначити роботу виходу.

в) Для того, щоб струм зник, потрібно на анод подати затримуючу напругу (на анод -, на катод +). Ясно, що чим більшою буде температура катода, тим з більшою швидкістю його будуть покидати електрони, тим більшу потрібно затримуючу напругу, щоб робота затримуючого поля була не меншою, ніж максимальна кінетична енергія випущених електронів .

г) С.А.Богуславський (1883-1923, рос. фізик) і І. Ленгмюр (1881-1957, амер. фізик) у 1913р. показали, що зростання анодного струму пропорційне анодній напрузі в степені 3/2

. (8.31)

Це закон Богуславського-Ленгмюра, або його ще називають законом „степені три других”