7.4. Термоэлектрический ток

Существенное значение для установления взаимосвязей между различными явлениями природы, в частности для открытия закона сохранения и превращения энергии, имело открытие в 1821 году членом Берлинской академии наук Т.И. Зеебеком (1770–1831) явления термоэлектричества. Воспроизводя опыты Эрстеда, Зеебек обнаружил, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических проводников, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи этой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнита. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи. Эти эксперименты вскоре были подтверждены внимательно следившим за работами Зеебека Эрстедом, а открытое явление было названо им «термоэлектрическим». Ток, возникающий в замкнутой цепи, спаянной из двух неоднородных металлов, был назван термоэлектрическим током, а всякая комбинация металлов, обуславливающая возникновение такого тока, – термоэлементом. Сам Зеебек настаивал на другой формулировке – «термомагнитное явление». Но надо отдать должное берлинскому профессору. Он сам, проведя множество экспериментов, накопил массу неопровержимого материала, который не только заставил его отказаться от своего названия, но и предоставил науке много новых фундаментальных данных по изучению цепей из комбинаций твердых, жидких металлов, сплавов и соединений при воздействии на них разных температур. Это позволило ему создать термоэлектрический ряд, который до сих пор представляет интерес и не сильно отличается от рядов, составленных гораздо позднее Юсти (1948) и Мейснером (1955). Таким образом, «эффект Зеебека» – переход тепловой энергии в электрическую.

В середине XIX века многочисленные опыты по исследованию различных свойств электрического тока были продолжены. В 1834 г. французский физик и метеоролог Жан Шарль Пельтье (1785–1845) обнаружил, что при протекании электрического тока на границах двух разных проводников (например висмута и сурьмы) происходит на одном конце поглощение тепла, а на другом – его выделение («эффект Пельтье»). Изменение температуры при этом пропорционально силе тока. Пельтье, как и Зеебек, не смог правильно интерпретировать результаты своего исследования. Только в 1838 году петербургский академик Э. Ленц доказал, что «эффект Пельтье» является самостоятельным физическим явлением, заключающимся в выделении и поглощении на спаях цепи добавочного тепла при прохождении постоянного тока. При этом характер процесса (поглощение или выделение) зависит от направления тока.

Рис. 7.10. Термоэлектрическая батарея Гюльхера

Данные открытия положили основу развития самостоятельной области техники – термоэнергетики, которая занимается как вопросами прямого преобразования тепловой энергии в электрическую («эффект Зеебека»), так и вопросами термоэлектрического охлаждения и нагрева («эффект Пельтье»). Кроме того, термоэлемент как источник тока представляется весьма удобным для измерения температуры, поскольку здесь тепловая энергия непосредственно переходит в электрическую.

Эффект Пельтье и явление возникновения термоэлектрического тока являются одно следствием другого, свидетельствуя, таким образом, об обратимости физических процессов. На рис. 7.10 представлена конструкция термоэлектрической батареи Гюльхера. Батарея, извне нагреваемая газом, состоит из 50 элементов, представляющих собой сплав висмута с сурьмой. Подобные батареи различной величины, изготавливаемые на заводе в Берлине, использовались для гальванопластических опытов, а также для зарядки небольших аккумуляторов.

В первые недели обретения независимости Украины был подписан указ о создании в Черновцах Института термоэлектричества НАН Украины под руководством академика Лукьяна Ивановича Анатычука, в котором одновременно занимаются фундаментальными исследованиями термоэлектричества и его использованием на практике. Именно в Черновцах пришли к выводу, что первооткрывателем термоэлектричества (контактной разности потенциалов) был не немецкий физик Зеебек, а итальянский ученый Алессандро Вольта. Этот факт, тщательно исследованный, документально обоснованный историческими документами, был утвержден на Международном форуме по термоэлектричеству в Черновцах.