7.4. Термоелектричний струм

Істотне значення для встановлення взаємозв'язків між різними явищами природи, зокрема для відкриття закону збереження і перетворення енергії, мало відкриття в 1821 році членом Берлінської академії наук Т.І. Зеєбеком (1770–1831) явища термоелектрики.

Відтворюючи досліди Ерстеда, Зеєбек виявив, що при замиканні кінців кола, що складалося з двох різнорідних металевих провідників, спаї яких знаходилися при різних температурах, магнітна стрілка, вміщена поблизу цього кола, поверталася так само, як у присутності магніту. Кут повороту стрілки був пов'язаний з величиною різниці температур на спаях досліджуваного кола. Ці експерименти незабаром були підтверджені уважно стежачим за роботами Зеєбека Ерстедом, а відкрите явище було назване ним «термоелектричним». Струм, що виникає в замкнутому колі, спаяному з двох неоднорідних металів, був названий термоелектричним струмом, а будь-яка комбінація металів, котра обумовлює виникнення такого струму, – термоелементом. Сам Зеєбек наполягав на іншому формулюванні – «термомагнітне явище». Але треба віддати належне берлінському професору. Він сам, провівши безліч експериментів, накопичив масу неспростовного матеріалу, який не тільки примусив його відмовитися від своєї назви, але і надав науці багато нових фундаментальних даних з вивчення кіл із комбінацій твердих, рідких металів, сплавів і сполук при дії на них різних температур. Це дозволило йому створити термоелектричний ряд, який дотепер становить інтерес і не дуже відрізняється від рядів, складених набагато пізніше Юсті (1948 р.) і Мейснером (1955 р.). Таким чином, «ефект Зеєбека» – це перехід теплової енергії в електричну.

У середині XIX століття численні дослідження різних властивостей електричного струму були продовжені. У 1834 р. французький фізик і метеоролог Жан Шарль Пельтьє (1785–1845) виявив, що при протіканні електричного струму на межі двох різних провідників (наприклад вісмуту і сурми) відбувається на одному кінці поглинання тепла, а на другому – його виділення («ефект Пельтьє»). Зміна температури при цьому пропорційна силі струму. Пельтьє, як і Зеєбек, не зміг правильно інтерпретувати результати свого дослідження. Тільки в 1838 році петербурзький академік Е. Ленц довів, що «ефект Пельтьє» є самостійним фізичним явищем, що полягає у виділенні та поглинанні на спаях кола додаткового тепла при проходженні постійного струму. При цьому характер процесу (поглинання або виділення) залежить від напряму струму.Мал. 7.10. Термоелектрична батарея Гюльхера

Дані відкриття заклали основу розвитку самостійної галузі техніки – термоенергетики, яка займається як питаннями прямого перетворення теплової енергії в електричну («ефект Зеєбека»), так і питаннями термоелектричного охолоджування і нагріву («ефект Пельтьє»). Крім того, термоелемент як джерело струму є вельми зручним для вимірювання температури, оскільки тут теплова енергія безпосередньо переходить в електричну.

Ефект Пельтьє і явище виникнення термоелектричного струму є одне наслідком другого та свідчить, таким чином, про оборотність фізичних процесів.

На мал. 7.10 представлена конструкція термоелектричної батареї Гюльхера. Батарея, що ззовні нагрівається газом, складається з 50 елементів, які є сплавом вісмуту із сурмою. Подібні батареї різної величини, що виготовлялися на заводі в Берліні, використовувалися для гальванопластичних дослідів, а також для зарядки невеликих акумуляторів.

У перші тижні отримання незалежності України був підписаний указ про створення в Чернівцях Інституту термоелектрики НАНУ під керівництвом академіка Лук'яна Івановича Анатичука, в якому одночасно займаються фундаментальними дослідженнями термоелектрики і їх використанням на практиці. Саме в Чернівцях дійшли висновку, що першовідкривачем термоелектрики (контактної різниці потенціалів) був не німецький фізик Зеєбек, а італійський учений Алессандро Вольта. Цей факт, ретельно досліджений і документально обгрунтований історичними документами, був затверджений на Міжнародному форумі по термоелектриці в Чернівцях.