§ 278. Термоэлектродвижущая сила

Электрический ток можно наблюдать в кольцевом проводе, составленном из двух (или более) различных тел, если только места соединения (спаев) находятся при разных температурах. Это и есть известное явление термоэлектричества, имеющее широкое применение на практике.

Причин появления термоэлектрического тока может быть две. Прежде всего, очевидно, что падение потенциала вдоль обоих проводов, происходящее из-за перепада температуры, может быть разное у этих двух тел (обозначим их 1 и 2), если только их константы различны.

Действительно, только случайно разности потенциалов могут оказаться равными. Уже этого было бы достаточно для того, чтобы в кольцевом проводе возникла э. д. с., равная разности этих напряжений.

Вторая причина термоэлектрического тока состоит во вполне вероятной зависимости контактной разности потенциалов от температуры. В результате помещения двух спаев в разные температурные условия их контактные разности потенциалов могут оказаться разными. Опять-таки и одного этого условия было бы достаточно для возникновения результирующей разности потенциалов в замкнутой цепи, а значит, и появления тока.

Учитывая оба явления, мы можем записать выражение для термоэлектродвижущей силы в виде суммы падения напряжения в первом проводе, скачка потенциала от первого тела ко второму, падения потенциала во втором теле и скачка потенциала от второго тела в исходную точку обхода контура:

Для упрощения полученного выражения запишем разность в виде

и так же преобразуем аналогичную вторую разность. Тогда формула для э. д. с. примет вид

Нам удалось таким способом выразить <§ в виде разности двух величин, каждая из которых является характеристикой данного тела. Довольно часто термин «термоэлектродвижущая сила» применяют не к этим интегралам, а к величине э. д. с., отнесенной к одному градусу:

Эта величина является основной характеристикой термоэлектрических свойств тела. Она не является неизменной константой, а может зависеть от термодинамических условий, в том числе и от температуры. Впрочем, для многих тел эта зависимость не выражена ярко.

Измеряя термоэлектродвижущую силу, можно определить не а, а разность этих величин. Однако, комбинируя разные пары проводников и полупроводников, мы имеем возможность определить значения а по отношению к одному телу, принятому за «начало отсчета». Таким образом можно расположить тела в ряд по их термоэлектродвижущим силам. По вполне понятным после сказанного причинам ряд по термоэлектродвижущим силам не совпадает с рядом по контактной разности потенциалов.

Приведем термоэлектродвижущие силы некоторых металлов по отношению к платине. Если данный металл спаян с платиной, причем один спай находится при а другой — при то в замкнутом контуре возникает э. д. с. (в милливольтах):

Положительный знак означает, что в спае, находящемся при ток течет от данного металла к платине.

Беря из таблиц значение констант а, мы сразу же подсчитаем значение термоэлектродвижущей силы, имеющей место при данной разности температур: — Такой вид будет иметь формула в случае термоэлемента, составленного двумя

металлами или двумя полупроводниками, обладающими одинаковыми по знаку носителями тока. В этом случае разности потенциалов, возникающие в обоих плечах цепи, направлены друг против друга и результирующая э. д. с. представляет собой разность действий обоих проводов, составляющих цепь. Однако картина меняется в том случае, если мы составим цепь из двух полупроводников, один из которых обладает дырочной, а другой — электронной проводимостью. У дырочного проводника на холодный спай направляются дырки, а электроны идут к горячему спаю. У электронного проводника электроны идут к холодному спаю. Оба эффекта усиливают друг друга, и формула имеет вид

Это обстоятельство весьма существенно для практики.