Томас Зеебек и термоэлектрический эффект
Предположим, вы воткнете железный пруток в огонь. Вы узнаете, что отпустили его довольно быстро, потому что тепло будет подниматься по металлу от огня к вашим пальцам. Но понимали ли вы, что электричество тоже проходит через пруток? Первым, кто правильно подхватил эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла будут иметь разную температуру, через них будет протекать электрический ток. Это один из способов обозначить то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. По мере дальнейшего изучения Зеебек обнаружил, что все становится интереснее. Если он соединил два конца металла вместе, ток не протекал; аналогично, если два конца металла были при одинаковой температуре, ток не протекал.
Основная идея термопары: два разнородных металла соединены вместе на двух концах. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец на что-то холодное (холодный спай), возникает напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить его, поместив вольтметр на два соединения.
Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался использовать вместе два разных металла. Теперь, если то, как электричество или тепло протекает через металл, зависит от внутренней структуры материала, вы, вероятно, увидите, что два разных металла будут производить разное количество электричества, когда они нагреваются до одной температуры. Итак, что, если вы возьмете полосу одинаковой длины из двух разных металлов и соедините их вместе на двух концах, чтобы образовать петлю. Затем окуните один конец (один из двух стыков) во что-нибудь горячее (например, стакан с кипящей водой), а другой конец (другой стык) во что-нибудь холодное. Тогда вы обнаружите, что электрический ток течет через петлю (которая фактически представляет собой электрическую цепь), и величина этого тока напрямую связана с разницей в температуре между двумя переходами.
Ключевой момент, который следует помнить об эффекте Зеебека, заключается в том, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов), а также от разницы температур. Для создания эффекта Зеебека не нужно соединение между разными металлами: только разница температур. Однако на практике в термопарах используются металлические переходы.
Почему возникает эффект Зеебека?
Как работает эффект Зеебека: если вы нагреете один конец металла , электроны «диффундируют» по нему, делая более холодный конец немного более отрицательно заряженным, чем более горячий конец.
Как мы уже видели, существует тесная связь между тем, насколько хорошо электричество течет в материале (электропроводность) и насколько хорошо течет тепло (теплопроводность). Мы можем думать об электронах в металле как о молекулах в газе, которые колеблются с кинетической энергией. Чем горячее газ, тем больше кинетической энергии у каждой молекулы в среднем и тем быстрее она колеблется.
Подобно тому, как молекулы газа движутся быстрее, когда вы их нагреваете, электроны имеют тенденцию «диффундировать» больше, когда металл более горячий. Если вы нагреете один конец металлического стержня, электроны будут двигаться в нем быстрее и создадут чистый поток к более холодному концу. Это делает более горячий конец слегка положительно заряженным, а более холодный конец слегка отрицательно заряженным, создавая разность напряжений — эффект Зеебека.
А как насчет эффекта Зеебека в соединении двух разных металлов? В одних материалах электроны движутся более свободно, чем в других. В этом основная разница между проводниками и изоляторами, а также между хорошими проводниками и плохими. Если вы соедините два разных металла вместе, свободные электроны имеют тенденцию переходить из одного материала в другой посредством своего рода диффузии. Так, например, если вы соединяете кусок меди с куском железа, электроны стремятся перейти от железа к меди, в результате чего медь будет заряжена более отрицательно, а железо — более положительно. Если железо и медь соединены в петлю с двумя переходами, один из переходов получит положительное напряжение, а другой — равное и противоположное отрицательное напряжение, не создавая напряжения в целом. Но если один из контактов более горячий, чем другой, электроны будут там легче диффундировать между металлами. Это означает, что напряжение на двух переходах будет отличаться на величину, которая зависит от разницы их температур. Это эффект Зеебека — и это основа работы большинства термопар.