Термоэлементы

§ 31. ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ

Термоэлементы непосредственно преобразуют тепловую энергию  в электрическую.

На рис. 27 изображены две проволочки 1 и2, изготовленные из различных металлов и спаянные в точках 3 и 4. Если температура  в местах спаев одинакова, то тока в таком замкнутом контуре воз­никать не будет, Потому что в этих местах создаются равные и про­тивоположные э.д. с. Но если один из спаев нагреть так, чтобы тем­пература его стала выше температуры второго спая, то равенство э.д. с. нарушится и в цепи появится электрический ток.

Пара проводников из различных ме­таллов называется термопарой, а воз­никающая в ней э. д. с— термоэлектродвижущей силой.

Положим, что проводник 1 изготов­лен из меди, а проводник 2 — из висму­та. Если нагреть один из спаев, напри­мер 4, то потенциал висмутовой прово­локи окажется выше потенциала медной

проволоки и поэтому электрический ток будет протекать от висмута к более холодному спаю 3, а затем по меди к более теплому спаю 4, как будто бы висмут стал положительным, а медь — отрицатель­ным полюсом гальванического элемента. Если спай 4 охладить, оставив другой спай 3 при прежней температуре, то при этом воз­никнет электрический ток, но обратного направления.

Величина термо-э.д. с. и, следовательно, тока, протекающего в термопаре, зависит от выбранных металлов для проводников 1 и 2 и от разности температур в местах спаев.

Опытным путем установлено, что при малых разностях темпера­тур термо-э.д. с. пропорциональна разности температур мест спаев. При больших разностях температур эта зависимость нарушается. Пропорциональность между термо-э.д. с. и разностью температур позволяет использовать термопару для измерения температур (в известных пределах).

Термо-э.д. с. возникает также в том случае, если два различных вещества только соприкасаются и место соприкосновения подвер­гается нагреву.

Э. д. с. термопар относительно мала. Возникновение термо-э. д. с. возможно и тогда, когда какое-либо вещество подвергается нерав­номерному нагреву.

Если, например, концы металлического стержня имеют различ­ную температуру, то между ними появляется разность потенциалов или э.д. с., пропорциональная разности температур этих концов. Это объясняется тем, что кинетическая энергия электронов больше в том конце металлического стержня, температура которого выше.

Если один конец стержня нагрет сильнее, чем второй, то кинети­ческая энергия электронов в более нагретом конце будет больше, чем в более холодном. Поэтому в стержне будет происходить урав­нивание носителей зарядов, часть электронов с более нагретого конца перейдет к другому концу. Таким образом, на более нагретом конце образуется недостаток электронов, а на другом конце — из­быток электронов, благодаря чему более нагретый конец приобретет положительный потенциал, а противоположный конец — отрицательный, т. е. между ними возникнет разность потенциалов. При увеличении разности температур между концами стержня возрастет число электронов, переходящих с одного конца на другой, и, следо­вательно, увеличится э. д. с.

Если взять два проводника из различных металлов и соединить концы их проволочкой, то в месте соединения появится разность потенциалов несмотря на то, что температура соединенных концов проводников одинакова. Это объясняется неравенством «электронного давления» в металлах, из которых изготовлены проводники, j Из металла с большим «электронным давлением» часть электронов перейдет в металл с меньшим «электронным давлением», в резуль­тате чего в проволоке возникает ток.

Термоэлементы используют в качестве источников электриче­ской энергии малой мощности, например, для питания радиоприем­ников. В простейшем виде термоэлектрический генератор представ­ляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагре­ваются, а вторые имеют достаточно низкую температуру.

Под действием разности температур концов спая термопар создается термо-э. д. с, и во внешней цепи протекает ток. Каждая тер­мопара может состоять из двух разнородных проводников, двух разнородных полупроводников или из проводника и полупровод­ника.

Высокая теплопроводность металлических термопар не позво­ляет создавать значительную разность температур спаев, а следо­вательно, не дает возможности получать термо-э. д. с. большой ве­личины. Поэтому в термогенераторах используют полупроводнико­вые термопары, а иногда — термопары из проводника и полупро­водника.

В термопаре, состоящей из полупроводника с п и р проводимостями, процесс возникновения термо-э. д. с. протекает следующим образом. При нагревании спая число электронов в полупроводни­ке n и число электронных дырок в полупроводнике р резко увеличи­вается под влиянием температурных особенностей, свойственных полупроводникам.

Электроны и дырки вследствие диффузии в полупроводниках движутся от горячего спая термопары к холодному. Перемещение дырок приводит к тому, что горячий конец полупроводника р заря­жается отрицательно, а холодный конец — положительно. В полу­проводнике n электроны, переходя от горячего конца к холодному, так же как и в металле, заряжают горячий конец положительно, а холодный конец —отрицательно. Термо-э. д. с. пары полупроводни­ков много больше термо-э. д. с. металлической пары.

В промышленных термоэлектрогенераторах основным элемен­том является полупроводниковая термопара с э. д. с. 1 мв на 1° С и к. п. д. около 7%.