ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

Если через пограничную область между двумя соприкасающимися различными металлами пропустить электрический ток, то электроны, проходя через эту область, будут в зависимости от направления тока либо ускоряться указанным выше контактным полем либо тормозиться им. В первом случае в пограничном слое наблюдается выделение тепла (электроны, получившие кинетическую энергию, будут при столкновениях передавать энергию атомам металла); во втором случае — поглощение тепла (электроны, потерявшие скорость, будут

при столкновениях с атомами получать от них энергию, т. е. охлаждать металл). Если, например, через термоэлемент (рис. II 1.37) при пропустить электрический ток, то температуры контактов начнут изменяться, так как в одном из них поле совершает положительную работу, а в другом — отрицательную. Выделение или поглощение тепла при прохождении тока через пограничную рбласть, обусловленное работой контактного электрического поля называется эффектом Пельтье; количество тепла за время при постоянной силе тока

где есть, как указывалось выше, разность потенциалов, обусловленная полем количество прошедшего электричества, а постоянная термоэлектродвижущей силы.

Итак, при прохождении электрического тока через пограничную область между двумя металлами происходят следующие явления:

1) выделение некоторого количества тепла по закону Ленца-Джоуля: где сопротивление пограничной области. Это тепло не зависит от направления тока и пропорционально квадрату силы тока;

2) выделение или поглощение тепла, вызванное положительной или отрицательной работой контактного электрического поля (эффект Пельтье). Это тепло пропорционально первой степени силы тока. При малых значениях тока теплота может оказаться больше, чем

3) перенос энергии из одного металла в другой вместе с перешедшими через пограничную область электронами. Средние кинетические энергии электронов в различных металлах (при одинаковой температуре) могут быть различными, поэтому электронов, перешедших из одного металла в другой перенесут с собой энергию

Заметим, что указанное выделение и поглощение тепла в контактах происходит и в том случае, когда в цепи термоэлемента течет электрический ток, вызванный не посторонним источником тока, а самой термоэлектродвижущей силой (при ); при этом в контакте с высокой температурой происходит поглощение тепла, а в контакте с низкой температурой — выделение тепла. Таким образом, эффект Пельтье направлен к выравниванию разности температур в контактах. Если создание разности температур контактов рассматривать как внешнее воздействие на термоэлемент, то эффект Пельтье есть противодействующая ему реакция этого элемента.

Термоэлемент при можно рассматривать как физическую систему, в которой происходит непосредственное превращение теплоты в электрическую энергию. Допустим, что в цепи термоэлемента сила тока равна Работа, совершаемая термоэлектродвижущей силой

(см. формулу (2.34)) за время

Однако теплота, поглощенная (по эффекту Пельтье) в контакте с высокой температурой, теплота, выделяющаяся в контакте с низкой температурой; разность между ними превращается в электрическую энергию. Поэтому коэффициент полезного действия термоэлемента

Таким образом, в полном согласии со вторым знаком термодинамики, в термоэлементе происходит получение тепла от тела с высокой температурой, передача некоторого количества тепла телу с низкой температурой и превращение разности в другой вид энергии. Однако в случае термоэлемента из металлов значительная часть тепла переходит от горячего контакта к холодному путем теплопроводности, поэтому количество теплоты, превращенное в электрическую энергию, даже при большой разности температур контактов, составляет лишь весьма малую часть (доли процента) полного количества тепла, перешедшего от горячего контакта к холодному. При применении, по предложению А. Ф. Иоффе, полупроводниковых материалов с малой теплопроводностью можно приблизить коэффициент полезного действия термоэлектрической тепловой машины к ее идеальному значению.

Выше рассматривались только металлические проводники (проводники первого рода), у которых появление контактной разности потенциалов и прохождение электрического тока не сопровождается никакими химическими изменениями. Однако контактная разность потенциалов обнаруживается и в системе любых проводников, включая, например, электролиты (проводники второго рода), в которых возбуждение разности потенциалов и прохождение тока сопровождается химическими реакциями (гальванические элементы, аккумуляторы). В отличие от металлических проводников, в системе, содержащей электролиты, на заряды (электроны, ионы) действуют особые силы «химического» происхождения. Благодаря наличию этих сторонних сил в замкнутой системе проводников, содержащих электролиты, происходит непрерывный односторонний перенос зарядов, т. е. существует электрический ток.