§ 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., 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  и . Если переместить горелку так, чтобы нагревался спай , а спай  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.

Рис. 136. Цепь, состоящая из железного и двух медных проводов и гальванометра:  и  – спаи

Таким образом, в цепи, составленной 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  и . 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  в горячей воде, вынуть спай  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.

Таблица 6. Термо-э.д.с. наиболее употребительных термопар, мВ

Опыт 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.

Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в энергию электрического тока. Горячий спай играет роль, аналогичную котлу или нагревателю паровой машины, а холодный спай играет роль охладителя (см. том I). Если к горячему спаю, находящемуся при термодинамической температуре , мы подводим количество теплоты , то часть этой теплоты  перейдет к холодному спаю, находящемуся при температуре , а разность  преобразуется в энергию тока. К. п. д. термоэлемента, т. е. доля подводимого тепла, преобразуемая в электрическую энергию, есть

. (83.1)

Мы знаем (см. том I), что для тепловой машины в самом лучшем случае (если бы не было никаких потерь) к. п. д. мог бы иметь значение

. (83.2)

Вообще же . Это верно и для термоэлементов.