Физики, опыт, два металла⁠⁠

Этим постом я начинаю цикл заметок о теплом атомном токе. Начать рассказ нам придётся издалека. В этом цикле будет (не)много физики и чуточку истории, но лезть глубоко в дебри мы не станем. А дальше будет много техники, хорошей и разной. С фотографиями!

Итак, начать следует с того, что немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (отец другого физика Зеебека, но уже Августа) открыл в 1821 году эффект имени себя.

Если построить замкнутую электрическую цепь из последовательно соединённых разнородных (сделанных из разных металлов) проводников и обеспечить им разность температур, нагрев или остудив один из них, то в цепи возникнет ток.

Такой ток называется термоэлектрическим, а полученное устройство — термопарой.

Если проводники будут из одинакового металла, то магии не получится — электрические напряжения между концами термопары попросту взаимно уравновесятся.

Хотя существуют наноразмерные термопары, которые обходят это ограничение одним интересным способом, но о них как-нибудь в другой раз.

Зеебек полагал, что под действием разности температур металлы каким-то образом намагничиваются (появляется некий “свободный магнетизм”), а электрический ток тут вообще ни при чём.

Но возникающий в этом процессе ток потом заметил французский физик Жан Шарль Пельтье, именем которого назван обратный эффект.

Правда, он тоже объяснил физику процесса не совсем верно — связал его вообще не с термоэлектричеством, а с твёрдостью и электрическим сопротивлением проводников. Пельтье очень нравилась идея о том, что в разных проводниках тепло выделяется по-разному, а потому он с радостью применил её и здесь.

В итоге правильно понял, что вообще происходит, российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он провёл опыт с двумя стержнями из висмута и сурьмы — спаял их вместе, капнул водой в углубление на стыке и начал прогонять электрический ток туда-сюда. При одном направлении тока капля замерзала, а при другом — оттаивала обратно.

Зафиксируем: На стыке двух разных проводников (в термопаре он называется спай), в зависимости от направления тока может выделяться или поглощаться тепло (теперь уже точно, Ленц подтверждает).

Такой вот получился термоэлектрический интернационал.

Кстати, а что они так долго думали-то? Эх, тоже мне, учёные. Дело-то плёвое, возьми два разных штыря и соедини между собой, потом один конец нагревай, а другой остужай да получай ток. Зачем тут сразу три физика?

Ну, вся штука в том, что простота обманчива. Появление термоэлектричества (а вернее сказать, термоЭДС — электродвижущей силы) это довольно сложный процесс.

Смотрите — мы уже поняли, что в одном контакте нашей термопары выделяется тепло, а другим контактом оно поглощается. Назовём его теплотой Пельтье.

Выше упоминали закон Джоуля — Ленца.

Его суть в том, что при прохождении тока через проводник (не важно, в каком направлении) он сопротивляется, а потому часть тока превращается в тепло (и чем больше сопротивление, тем выше будет нагрев).

Это верно и для термопары — вуаля, теперь мы знаем, что в ней возникает и джоулево тепло.

И как будто этого мало, внутри каждого неравномерно нагретого проводника (проводника, в котором имеется градиент температуры) выделяется ещё одна теплота, которая пропорциональна скорости изменения температуры. Ну или поглощается, это зависит от направления тока.

А это явление называется эффектом Томсона (да, ещё один физик, на этот раз британский — интернационал, говорю же, всем миром над термоэлектричеством работали). И вот у нас появляется теплота Томсона.

На фото внизу — Уильям Томсон. Он же, кстати, лорд Кельвин (да-да, в честь него температуру по Кельвину и назвали). На фотографии он опирается на нактоуз и держит в руках морское азимутальное зеркало. А если не по-морскому, а по-русски — стоит около судового магнитного компаса

Разной теплоты в этом процессе как в средних размеров коте — очень много.

Итак, эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона в определённой мере связаны между собой — и все они изменяют знак в зависимости от направления тока, то есть, являются обратимыми (могут нагревать, а могут и охлаждать).

И всё бы было хорошо, но вот в законе Джоуля — Ленца про обратимость ничего не сказано. Там всегда выделяется только тепло, в какую сторону ток ни направляй.

Ну и что? Мы теперь научились переводить тепловую энергию в электрическую! С помощью термопары! А это не хухры-мухры!
Плевать нам теперь на этих ваших Джоулей-Ленцов!

Радоваться рано, сейчас эти ребята нанесут ответный удар. Не пренебрегайте физикой (и физиками).

Проблема в том, что КПД такой схемы очень уж мал — в электрическую энергию переходит слишком малая часть энергии тепловой. Во многом из-за того, что в ходе работы термопары в ней возникают побочные необратимые (то есть, только нагревающие) процессы.

И джоулево тепло это полбеды, хотя оно тоже портит дело.

В металлах в принципе будет довольно быстро происходить перенос тепла от горячего контакта к холодному. Очень быстро — теплопроводность у них хорошая (за редкими исключениями), на то они и металлы.

А нам же нужна разность температур, помните? Но в таких условиях она слишком быстро уходит. Потому и КПД у термопары из металлов обычно получается… менее одного процента.

То есть как это меньше процента?! Блин, ну это же совсем никуда не годится.

Как индикатор какой-нибудь, может, пойдёт и так — температуру измерять. А вот для генератора такой КПД это ну прям совсем плохо.

[как эту проблему решили советские физики - в сделующей части]

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!