Электричество, виды

а) актино-электричество, б) пьезо-электричество, в) пиро-электричество — см. Электризация.

Термоэлектричество открыто в июле 1821 г. Зеебеком (Th.-Joh. Seebeck, 1770—1831). Этим термином обозначают особый разряд электрических явлений, возникающих под действием теплоты так же, как и некоторые тепловые явления, возникающие под действием электрического тока. В обыкновенной своей форме термо-Э. обнаруживается в виде электрического тока, появляющегося в замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлических проводников, когда местам соприкосновения (или спаям) этих проводников сообщаются неодинаковые температуры; оно может, однако, возникать и в других проводниках (уголь, многие минералы), а также в жидкостях (растворы солей и кислот). Соединение двух проводников, спаянных на концах, причем этим спаям сообщены разные температуры, называется термоэлектрической парой; возникающая в ней электродвижущая сила по величине и направлению зависит от природы взятых проводников, а также от температур обоих спаев. Так, при разности температур спаев в 1° С. и при температуре более нагретого спая, равной 20° С., получаются, по наблюдениям Маттиссена, следующие термоэлектрические силы в парах из свинца в соединении с различными металлами:

------------------------------------------------------------------------

| Висмут                           | +0,000089              |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Кобальт                          | +0,000022              |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Ртуть                             | +0,000000418         |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Свинец                           | 0                            |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Латунь                           | —0,0000001           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Медь                              | —0,0000001           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Платина                         | —0,0000009           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Золото                           | —0,0000012           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Серебро                         | —0,0000030           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Цинк                              | —0,0000037           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Мышьяк                         | —0,00001336          |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Железо                          | —0,00001715          |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Сурьма                          | —0,0000226           |

|-----------------------------------------------------------------------|

| Фосфор (красный)          | —0,0000297           |

------------------------------------------------------------------------

Здесь электродвижущие силы выражены в практических единицах, т. е. в вольтах; знак + показывает, что электродвижущая сила направлена в более нагретом спае от соответственного металла к свинцу; знак — указывает на ее обратное направление. Для определения термоэлектрических сил в парах, составляемых переименованными металлами между собой, следует из числа, соответствующего металлу, расположенному выше, вычесть число нижестоящего металла; знак + покажет направление электродвижущей силы в нагретом спае от первого металла ко второму. Такой расчет основан на следующем законе Беккереля: если два металла отделены друг от друга одним или несколькими промежуточными металлами, имеющими постоянную температуру t, то термоэлектрическая сила, образующаяся в такой цепи, будет та же, как если бы металлы непосредственно касались друг друга и температура этого места соединения была бы равна t. Из этого закона и из указанного выше правила расчета термоэлектрических сил между металлами вытекает еще другой закон, а именно что термоэлектрическая сила какой-либо пары металлов М и N равна алгебраической сумме термоэлектрических сил в отдельных парах металлов M и A, A и B, B и C, C и N при тех же температурах спаев. Термоэлектрический ток может возникать в цепи, состоящей из проводников, разнородных не только в химическом, но и в физическом смысле. Так, термоэлектрические пары могут быть составлены из двух проводников одного и того же металла, если физические свойства одного из них каким-либо образом изменены (растяжение, сжатие, кручение, намагничение и пр.). Однако неравномерное распределение температуры в однородном во всех других отношениях проводнике не может, по наблюдениям Магнуса, служить источником термоэлектрического тока. При небольших разностях температур спаев термоэлектрических пар их электродвижущие силы можно считать, по наблюдениям Беккереля, пропорциональными этим разностям. Однако при больших разностях опыт показывает, что электродвижущая сила пары стремится к определенному максимуму, затем убывает до нуля и, наконец, переменяет свой знак. Такой ход термоэлектрической силы в зависимости от температур спаев выражается весьма точно следующей формулой Авенариуса, подтверждаемой теоретическими соображениями:

Отсюда видим, что = 0, когда t₁ + t₂ = 2t_n, и что = мах., когда = 0, т. е. при t₂ = t_n. Температура t_n называется температурой нейтральной точки. Напр. из опытов Авенариуса для пары медь — железо находим в условных единицах: b = 0,9653, е = —0,00175; отсюда t_n = 275,8° C. Итак, в термоэлектрической паре медь — железо электродвижущая сила достигает максимума при температуре нагретого спая t₂ = 275,8° С. и равна нулю — в предположении, что температура холодного спая равна 0° С. при температуре нагретого спая, равной 561,6° С. Полагая в формуле Авенариуса t₂ = 0, t₂= t и взявши производную по t, получаем:

dE/dt = kt_n — kt = a + bt

(где положено kt_n = а и k = b).

Такая функция называется термоэлектрической способностью данной пары. В нижеследующей таблице указаны термоэлектрические способности различных металлов относительно свинца, по наблюдениям Тэта:

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Железо                                                       | 1784               | — 4,87 t            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сталь                                                          | 1139               | — 3,28 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сплав платины 95 % и иридия 5 %              | 622                 | — 0,55 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сплав платины 90 % и иридия 10 %             | 596                 | — 1,34 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сплав платины 85 % и иридия 15 %             | 709                 | — 0,63 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Магний                                                        | 244                 | — 0,95 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Нейзильбер (до 175°)                                   | — 1207           | — 5,12 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Кадмий (до 258°)                                         | 266                 | + 4,29 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Цинк (до 373°)                                             | 234                 | + 2,40 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Серебро                                                      | 214                 | + 1,50 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Золота                                                        | 283                 | + 1,02 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Медь                                                           | 136                 | + 0,95 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Олово                                                         | — 43              | + 0,55 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Алюминий                                                   | — 77              | + 0,39 "             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Палладий                                                    | — 625             | — 3,59 "            |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Никель (до 175°)                                          | — 2204           | — 5,12"             |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В этой таблице термоэлектрические способности выражены в абсолютных единицах; чтобы перейти к практическим единицам и получить термоэлектрические силы в вольтах, нужно разделить числа на 10⁸. Таблица справедлива для температур от —18° до 416°, за исключением нейзильбера, кадмия, цинка и никеля, для которых высшие пределы температуры отмечены отдельно в таблице. Знак + соответствует направлению тока от свинца к данному металлу. Из сравнения таблицы с формулой термоэлектрической способности видим, что числа первого столбца представляют собой значения коэффициента а, а числа второго столбца равны b. Подставляя эти числа в формулу Авенариуса, мы получим термоэлектрические силы пар, образованных из данных металлов и свинца, а зная их, можем найти по указанному выше закону Беккереля термоэлектрические силы пар различных металлов. Полная математическая теория термоэлектрических явлений дана лордом Кельвином (В. Томсон). В этой теории он рассматривает термоэлектрическую цепь как тепловую машину, в которой теплота, перетекая от теплого спая к холодному, частью превращается в работу, согласно первому и второму законам термодинамики, и вызывает электрический ток. Предполагая, что теплота превращается в энергию электрического тока только в местах спаев термоэлектрической цепи, из формул этой теории мы получаем закон Беккереля, устанавливающий пропорциональность между электродвижущей силой термоэлектрической пары и разностью температур ее спаев; предположение же, что связь между теплотой и Э. существует и вдоль проводников, по которым распространяется поток теплоты, приводит нас при наиболее простых предположениях относительно этой связи к формуле Авенариуса. Параллельно возникновению термоэлектрического тока при существовании разности температур в цепи разнородных проводников наблюдается и обратное явление, открытое Пельтье: нагревание и охлаждение спаев разнородных проводников при прохождении через них электрического тока; при этом распределение температур получается обратным тому, которое нужно создать, чтобы вызвать термоэлектрический ток того же направления. По наблюдениям Квинтуса-Ицилиуса, количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в спаях в определенное время, пропорционально силе проходящего тока. При одной и той же силе тока это количество зависит от температуры спая и термоэлектрической способности данной пары металлов по формуле, выведенной лордом Кельвином и подтвержденной опытами Бателли:

π = 1/А·Т·(dE/dT).

Здесь π есть теплота, соответствующая явлению Пельтье при прохождении электромагнитной единицы количества Э., А — механический эквивалент теплоты, Т — абсолютная температура спая, а (dE/dT) — термоэлектрическая способность данной пары металлов. Явление Пельтье можно рассматривать как перенос тепла электрическим током между спаями разнородных металлов. Лорд Кельвин (В. Томсон) открыл подобное же явление переноса тепла и в однородных, неравномерно нагретых проводниках. По наблюдениям Леру, такой перенос тепла (явление Томсона) происходит в металлах: сурьма, кадмий, цинк, медь, серебро, сплав (10 ч. висмута и 1 ч. сурьмы) по направлению тока, а в металлах: железо, висмут, нейзильбер, платина, алюминий и олово — в обратном направлении, причем скорость его пропорциональна силе тока. В свинце явление Томсона почти не наблюдается. Согласно теории лорда Кельвина, количество тепла σ, переносимое единицей количества Э. в каком-либо металле при падении температуры 1° С. на 1 см, выражается формулой:

σ = —1/А·Т·(d²E/dT²),

где а и Т имеют вышеуказанные значения, а (d²E/dT²) есть производная по температуре от термоэлектрической способности данного металла относительно свинца. Формула подтверждается опытами Бателли. Для объяснения явлений термоэлектричества с физической точки зрения существуют две разных гипотезы. Одна гипотеза, "контактная", сводит объяснение термоэлектрических сил к электризации при соприкосновении разнородных проводников, рассматривая ее как разность электродвижущих сил соприкосновения, являющуюся вследствие различных температур в местах контактов; однако наблюдения над зависимостью электризации при соприкосновении от температуры не дают численного совпадения этих разностей с наблюдаемыми термоэлектрическими силами. Другая гипотеза, предложенная Ф. Кольраушем, рассматривает термоэлектрические явления как результат существования связи между движением теплового потока, возникающего в проводнике при существовании разности температур на его концах, и движением электрического тока. Эта гипотеза объясняет одинаково удовлетворительно как возникновение термоэлектрического тока под влиянием тепловых потоков, распространяющихся проводником, составляющим термоэлектрическую пару, от теплого спая к холодному и вследствие различной природы этих проводников вызывающих в них различные электродвижущие силы, так и перенос теплоты под влиянием электрического тока в явлениях Пельтье и Томсона.

Термоэлектрические элементы и батареи. Термоэлектрическим током пользуются для практических целей в двух случаях: 1) в качестве весьма чувствительного и постоянного измерителя разности температур и 2) для получения наиболее простым способом электрической энергии насчет тепловой. В первом случае пользуются термоэлектрическим столбиком Меллони или пирометром Лешателье. Столбик Меллони, служащий для измерения, главным образом, лучистой теплоты, состоит обыкновенно из 50 брусков висмута и сурьмы около 4—5 см длины, соединенных между собой последовательно, причем висмут и сурьма чередуются друг с другом, и сложенных в призматическое тело так, что четные спаи приходятся на одной стороне его, а нечетные — на другой. Небольшой разности в температурах двух сторон этого столбика достаточно, чтобы вызвать в нем электрический ток, пропорциональный этой разности. Пиромометр Лешателье служит для измерения высоких температур; он состоит из двух проволок: платиновой и приготовленной из сплава родия и платины, которые помещаются внутри огнеупорной трубы и одними концами соединены между собой, а другими — с чувствительным гальванометром. Место соединения проволок между собой вводится в пространство высокой температуры, причем появляющийся ток измеряет разность между этой температурой и температурой окружающей среды. Пиромометром Лешателье можно измерять температуры до 1200° С. с точностью до 10°. Для получения сильных термоэлектрических токов, которыми можно было бы пользоваться для практических целей, выбирают пары, дающие наибольшую электродвижущую силу. К таким парам принадлежат: железо, никель, нейзильбер (или мельхиор), с одной стороны, и сплавы сурьмы и цинка — с другой. Наиболее употребительны термоэлектрические батареи Ное и Кламона; в обеих батареях источником теплоты служит пламя газовой горелки, причем по измерениям, произведенным над батареей Кламона, 1 куб. м светильного газа производит 9000 килограммометров работы в форме электрического тока, что дает для полезного действия этой батареи величину около 0,2 %. Вообще, полезное действие термоэлектрических батарей весьма невелико даже при самых благоприятных условиях, хотя, с точки зрения термодинамики, при тех высоких разностях температур, которые в них существуют, мы могли бы ожидать полезного действия не меньшего, чем для других тепловых машин. Это противоречие объясняется громадными потерями теплоты, происходящими вследствие перехода ее через теплопроводность металлических частей батареи от нагретых спаев к холодным. Условия для уменьшения этих потерь и составления наиболее экономической батареи следующие: 1) следует выбрать такую пару металлов или металлических сплавов, которые при данной разности температур дают наибольшую термоэлектрическую силу; 2) придать проводникам, входящим в состав пары, такие относительные размеры, чтобы они имели одинаковые сопротивления; абсолютные размеры пары не имеют никакого значения для полезного действия батареи; 3) составить из этих пар батарею таким образом, чтобы ее электрическое сопротивление было равно заданному сопротивлению внешней цепи. При соблюдении этих условий полезное действие батареи выражается приблизительно формулой:

P = (t₂ - t₁)·[b + c(t₂ + t₁)]/32000·A;

здесь P обозначает полезное действие, t₂ и t₁ — температуры спаев, b и c — коэффициенты в формуле Авенариуса, выраженные в абсолютных единицах, и А = 4,164·10⁷ — механический эквивалент теплоты. Для наиболее сильной из возможных на практике батарей эта формула дает величину полезного действия не более 2—3 %.

Б. Розинг.