Тер­мо­эле­мен­ты как ге­не­ра­то­ры тока

Зна­ме­ни­тый ита­льян­ский физик Алес­сан­дро Воль­та в конце 18-го века уста­но­вил, что в элек­три­че­ской цепи, со­став­лен­ной толь­ко из ме­тал­ли­че­ских про­вод­ни­ков (от­но­ся­щих­ся к так на­зы­ва­е­мым про­вод­ни­кам пер­во­го рода, в ко­то­рых элек­три­че­ский ток не вы­зы­ва­ет хи­ми­че­ских пре­вра­ще­ний), элек­три­че­ский ток не воз­ни­ка­ет. Это верно, од­на­ко, толь­ко в том слу­чае, если все спаи, то есть места со­еди­не­ния про­вод­ни­ков, на­хо­дят­ся при оди­на­ко­вой тем­пе­ра­ту­ре.

В 1821 году не­мец­кий физик Томас Иоганн Зее­бек, про­во­дя опыты с ме­тал­ли­че­ски­ми про­вод­ни­ка­ми, за­ме­тил, что в за­мкну­той цепи, со­став­лен­ной из двух раз­ных ме­тал­лов, воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток вся­кий раз, когда места кон­так­та про­вод­ни­ков имеют раз­лич­ные тем­пе­ра­ту­ры.

Так, если взять же­лез­ную про­во­ло­ку и к ее кон­цам в точ­ках a и b при­кру­тить по куску мед­ной про­во­ло­ки, а сво­бод­ные мед­ные концы при­со­еди­нить к чув­стви­тель­но­му галь­ва­но­мет­ру, то в по­лу­чен­ной за­мкну­той цепи, тока не будет (рис. 1).

Со­всем иная кар­ти­на будет на­блю­дать­ся, если на­греть какое-ни­будь место со­еди­не­ния про­во­лок (на­при­мер, точку a), под­не­ся к нему го­рел­ку (рис. 2). В этом слу­чае ам­пер­метр фик­си­ру­ет в цепи элек­три­че­ский ток, ко­то­рый про­те­ка­ет в

цепи все то время, пока су­ще­ству­ет раз­ность тем­пе­ра­тур между точ­ка­ми a и b. Если пе­ре­ме­стить го­рел­ку так, чтобы на­гре­ва­лась точка b, а точка а оста­ва­лась хо­лод­ной, то ам­пер­метр тоже будет по­ка­зы­вать ток, но об­рат­но­го на­прав­ле­ния.

Опи­сан­ное яв­ле­ние, от­кры­тое Зее­бе­ком, по­лу­чи­ло на­зва­ние тер­мо­элек­три­че­ства, а вся­кую ком­би­на­цию раз­но­род­ных про­вод­ни­ков пер­во­го рода, об­ра­зу­ю­щих за­мкну­тую цепь, на­зы­ва­ют тер­мо­эле­мен­том.

Тер­мо­эле­мент можно рас­смат­ри­вать как тер­мо­элек­три­че­ский ге­не­ра­тор элек­три­че­ско­го тока, ко­то­рый, не имея дви­жу­щих­ся ча­стей пре­вра­ща­ет часть теп­ло­вой энер­гии, на­гре­ва­ю­щей место со­еди­не­ния про­во­лок a, в элек­три­че­скую энер­гию; при этом осталь­ная часть теп­ло­ты от­да­ет­ся в окру­жа­ю­щую среду через кон­такт b. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что таким спо­со­бом можно по­лу­чить на­пря­же­ние, не пре­вы­ша­ю­щее не­сколь­ких мил­ли­вольт. При этом ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го дей­ствия (КПД) тер­мо­эле­мен­тов, со­став­лен­ных из ме­тал­ли­че­ских про­вод­ни­ков, не пре­вы­ша­ет 0,5 %. Все дело в том, что из-за боль­шой теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов теп­ло­та, пе­ре­хо­дя­щая путем теп­ло­про­вод­но­сти от го­ря­че­го кон­так­та к хо­лод­но­му, зна­чи­тель­но боль­ше, чем теп­ло­та, ко­то­рая пре­вра­ща­ет­ся в элек­три­че­скую энер­гию. Кроме того, часть элек­три­че­ской энер­гии, со­зда­ва­е­мой тер­мо­эле­мен­том, пре­вра­ща­ет­ся в теп­ло­ту внут­ри са­мо­го же тер­мо­эле­мен­та, и она также не может быть ис­поль­зо­ва­на. Эти бес­по­лез­ные траты боль­шей части теп­ло­ты, пе­ре­да­ва­е­мой го­ря­че­му кон­так­ту, на­столь­ко ве­ли­ки, что тер­мо­эле­мен­ты, из­го­тов­лен­ные из ме­тал­ли­че­ских про­во­лок, со­вер­шен­но не при­год­ны как тех­ни­че­ские ге­не­ра­то­ры элек­тро­энер­гии.

Од­на­ко если в ка­че­стве тер­мо­эле­мен­тов ис­поль­зо­вать спе­ци­аль­но из­го­тов­лен­ные по­лу­про­вод­ни­ки в кон­так­те с ме­тал­ла­ми, то со­зда­ва­е­мое ими на­пря­же­ние в де­сят­ки раз пре­вы­ша­ет на­пря­же­ние, ко­то­рое со­зда­ют чисто ме­тал­ли­че­ские тер­мо­эле­мен­ты. Кроме того, КПД по­лу­про­вод­ни­ко­вых тер­мо­эле­мен­тов зна­чи­тель­но выше. По­это­му по­лу­про­вод­ни­ки поз­во­ля­ют ре­шить во­прос о не­по­сред­ствен­ном по­лу­че­нии элек­тро­энер­гии из теп­ло­вой энер­гии.