
- •1. Постійний електричний струм та його характеристики
- •1.1. Електричний струм. Сила і густина струму
- •Рівняння неперервності
- •Електрорушійна сила
- •Закон Ома. Опір провідників
- •Закон Джоуля – Ленца. Закон збереження електричної енергії
- •Розгалужені кола. Правила Кірхгофа
- •1.7. Робота і потужність електричного струму
- •2. Електричний струм у металах
- •2.1. Електронна провідність металів
- •2.2. Основи класичної електронної теорії провідності металів
- •2.3. Основні закони постійного струму з точки зору класичної електронної теорії провідності металів
- •2.4. Недоліки класичної електронної теорії провідності металів
- •3.2. Термоелектричні явища та їх застосування
- •3.3. Емісійні явища
- •4. Електричний струм у рідинах
- •4.1. Електроліз. Закони Фарадея
- •4.2. Електролітична дисоціація
- •4.3. Електролітична провідність рідин
- •4.4. Застосування електролізу в техніці
- •5. Електричний струм у газах
- •5.1. Електропровідність газів
- •5.2. Несамостійний газовий розряд
- •5.3. Самостійний газовий розряд
- •5.4. Тліючий розряд
- •5.5. Самостійний розряд при нормальному і великих тисках
- •6. Приклади розв’язування задач
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Розв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Р озв’язування
- •Розв’язування
- •Розв’язування
- •Розв’язування
- •7. Задачі для самостійного розв'язування
- •Постійний електричний струм та його характеристики……….…………….3
- •Електричний струм. Сила і густина струму………………….……….….3
- •Література
3.2. Термоелектричні явища та їх застосування
1. Термоелектрорушійна сила. Розглянемо замкнене коло, яке складається з двох металевих провідників 1 і 2 (рис. 3.4).
За
другим правилом Кірхгофа (а також за
законом Ома) електрорушійна сила ,
прикладена до цього кола, дорівнює сумі
спадів напруги U1
і U2
відповідно на ділянках a1b
і b2a:
Згідно з першим законом Вольта (рівняння (3.4)) при однаковій температурі обох спаїв (Та= Тв=Т) маємо
Якщо температури спаїв Та та Тв різні (наприклад Та> Тв), то
(3.5)
де
– стала, яка характеризує властивості
двох розглянутих взятих металів. У цьому
випадку у замкненому колі виникає
термоелектрорушійна сила, прямо
пропорційна різниці температур обох
спаїв. У такому колі починає протікати
електричний струм, напрям якого при Та>
Тв
і n01>
n02
вказано стрілками на рис. 3.4. Щоб
підтримувати постійний струм, необхідно
більш нагрітому спаю передавати теплоту,
а від менш нагрітого – безперервно її
відводити. У такому випадку відбувається
перетворення внутрішньої енергії
системи в електричну, що повністю
узгоджується з другим законом
термодинаміки. Коефіцієнт корисної дії
замкненого циклу, що описує подібне
перетворення внутрішньої енергії в
електричну, становить 0,1%. Термоелектрорушійна
сила при різниці температур
не перевищує декількох мілівольт.
Термоелектричні явища у металах широко використовують для вимірювання температури. Для цього використовують термоелементи, або термопари, що являють собою дві дротини, виготовлені з різних металів або сплавів, для яких значення коефіцієнта у формулі (3.5) відоме. Кінці цих дротин зварюють (рис. 3.5). Один спай вміщують у середовище, температуру Т1 якого потрібно виміряти, а другий – у середовище з відомою сталою температурою Т2 (наприклад, у посудину Дьюара з танучим льодом). Термопари мають ряд переваг порівняно із звичайними термометрами: вони дають змогу вимірювати температури в широкому діапазоні – від десятків до тисяч градусів абсолютної шкали. Термопари мають велику чутливість і тому дають змогу вимірювати дуже малі різниці температур (до 10-6 градуса). Так, термопари залізо-константан використовують для вимірювання термператур до 500 оС і мають чутливість 5,3∙10-5 В/град. Термопара платина – платинородій (до 90% платини і 10% родію) має чутливість 6∙10-6 В/град, її використовують для вимірювання температур від дуже низьких до тисяч градусів. За допомогою термопари можна не тільки виміряти температуру, а й стежити за її зміною в часі. Другий закон Вольта дає можливість встановити гальванометр на значному віддаленні від термопари і успішно застосовувати термопари в контрольних і автоматичних пристроях (терморегулятори тощо). Щоб збільшити чутливість термопар, застосовують їх послідовне з’єднання, які називають термобатареями, або термостовпчиками.
2. Ефект Пельтьє. При пропусканні електричного струму через коло, складене з двох різних спаяних металів, відбувається не тільки їх нагрівання внаслідок виділення джоулевої теплоти, а і додаткове виділення теплоти в одному зі спаїв, тоді як інший спай охолоджується (рис. 3.6).
Я
кщо
напрям електричного струму збігається
з напрямом термоелектричного, що виникає
при умові Та>
Тв
(рис. 3.4), то
відбувається нагрівання спаю b
і охолодження спаю а.
При зміні напряму електричного струму
на зворотній спай b
охолоджується, а спай а
нагрівається. Це явище відкрив Пельтьє
у 1834р.; його називають ефектом Пельтьє.
Ефект Пельтьє, як поява термо-ЕРС, зв’язаний з виникненням контактної різниці потенціалів на межі двох металів. Припустимо, що метал 1 спаю а заряджено позитивно, а метал 2 – негативно, тобто що n01 > n02. Тоді для зображеного на рис. 3.6 напряму струму, що збігається з напрямом термоелектричного струму, електрони в спаї а рухаються в напрямі 1 2 і гальмуються електричним полем контактного шару. При цьому кінетична енергія електронів частково перетворюється в їх потенціальну енергію, так що температура електронного газу і кристалічної решітки, що перебуває з ним у термодинамічній рівновазі, знижується – спай а охолоджується. У спаї b відбувається зворотнє явище. Електрони, що рухаються у цьому спаї в напрямі 2 1 прискорюються електричним полем контактного шару. Тому температура спаю b підвищується. Очевидно, що при зміні напряму струму на протилежний, спай а нагрівається, а спай b – охолоджується.
Ефект Пельтьє в металах можна використати для виготовлення холодильної машини. Однак економічність такої машини дуже мала. Значно економічнішими є напівпровідникові холодильні пристрої.
Слід зазначити, що тлумачення контактних термоелектричних явищ, засноване на уявленнях про класичний електронний газ у металах, не дає правильних відповідей на багато запитань. Наприклад, незрозумілим залишається питання про те, чому всі термоелектричні ефекти, пов’язані з контактом двох металів, дуже малі. Причина цих труднощів класичної теорії електропровідності металів полягає в тому, що для опису властивостей електронів провідності у металах та інших твердих тілах не можна застосувати класичні уявлення про електронний газ, а варто застосовувати квантову теорію, яка розглядається в розділі «Квантова механіка».