Термоэлектрлік құбылыс

Енді түйісу потенциалдар айырымы электр қозғаушы күшке себепті бола ала ма, соны қарастырайық. Егер әртүрлі металдан тұйық тізбек жасап, оған

сезімтал гальванометр жалғастырсақ, онда оның тілшесі ауытқымайды. Бұл тізбекте электр қозғаушы күштің жоқ екендігін білдіреді.

Демек, жанасатын металдардың температурасы бірдей болған кезде, түйісу потенциалдар айырымы, электр қозғаушы күш жасай алмайды.

Бұл қорытындыға басқаша жолмен де келуге болады. В және Д нүктелерінде түйіскен, екі А және Б металдан тұратын тұйық тізбекті қарастырайық (6-сур.). Егер А металы жанасқан кезде теріс, ал Б – оң

6-сур.

зарядталса, онда түйісу потенциалдар айырымы электрондарды Д түйісуде сағат тілінің бағытымен, ал В түйісуде сағат тілінің бағытына қарама-қарсы орын ауыстырады. В және Д түйісі потенциалдар айырымы бірдей болып және қарама-қарсы бағытталғандықтан, ешқандай ток жүрмейді.

Егер В және Д түйісулерде температуралар әртүрлі болса, онда бұл көрініс өзгереді. Д нүктесіндегі температураның артуы, Д түйісу арқылы Б-дан А-ға қарай электрондардың қосымша ауысуына алып келеді. Бұл жерде А металының Д ұшында электрондардың концентрациясы, В ұшына салыстырғанда артық болады да, электрондар А металында Д-дан В-ға қарай бағытта орын ауыстырады. Бұл А металының В ұшында электрондардың тығыздығының артуына алып келеді, ал Д ұшында электрондардың тығыздығының кемуіне алып келеді. Сонда Б металында электрондар В-дан Д-ға қарай орын ауыстыра бастайды. Бұл В түйісуіндегі динамикалық тепе-теңдікті бұзады, өйткені В түйісу төңірегінде А металындағы электрондардың тығыздығы артады, ал Б металда – кемиді. Бұл кезде электронда В түйісу арқылы А-дан Б-ға қарай өте бастайды.

Сонымен, егер әртүрлі металдардың түйісулер температуралары бірдей болмаса, онда оларда электрондардың бағытталынған қозғалысы пайда болады, яғни мұндай тізбекте ток жүреді. Бұл тізбекте электр зарядтарына энергия беретін электр қозғаушы күші пайда болатындығын көрсетеді. Бұл жағдайда, электр энергиясы Д түйісудегі металдарды қыздыруға жұмсалынған энергияның есебінен алынады.

Әртүрлі металдардан құрастырылған, олардың түйісулерінде әртүрлі температура болғанда тізбекте пайда болатын электр қозғаушы күшін, термоэлектрлік қозғаушы күш деп атайды. Термоэлектрлік қозғаушы күшінің шамасы жанасушы металдардың тегіне және олардың түйісулерінің температуралар айырымына байланысты. Тәжірибенің көрсетуі бойынша, ол көрсетілген температуралар айырымына пропорционал.

Кейбір жағдайларда бұл ережеден ауытқулар байқалады, мұны температура аса жоғарылағанда электрондардың тығыздығының өзгеруімен түсіндіруге болады. Термоэлектрлік қозғаушы күштің шамасы өте аз, әртекті металдардың бірігу температураларының айырымы бір градус болғанда вольттың бірнеше жүз-мыңдаған бөлігі шамасына жетеді.

Екі әртекті металдардың ұштары дәнекерлеп жалғасқан және жылу берудің есебінен электр энергиясын жасаушы аспапты термопара, немесе термоэлемент деп атайды. Термопара электр энергиясының көзі болып саналады. Сыртқы тізбекті бұл ток көзіне жалғастыру үшін металдарды бір нүктесінде үзеді, оның бос ұштары полюстерге айналады. Кейде металдардың ұштарының бір жұбын ғана дәнекерлейді, ал екінші ұшын бос қалдырады. Сонда металдардың бос ұштары полюстер болып шығады (7-сур.).

7-сур.

Пельтье эффектісі

Тәжірибенің көрсетуі бойынша, өткізгіштің көлемінде токтың бөліп шығатын Джоуль-Ленц жылуынан басқа, әртүрлі өткізгіштердің түйісуінде, егер бұл өткізгіштер алғашында бірдей температурада тұрса да, олардың түйісу аймағында жылулық құбылыстар болады. Бұл түйісуде ток жүрген кезде, токтың бағытына байланысты жылудың бөлінуі немесе жұтылуы болады, түйісу аймағы не қызады, не салқындайды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталынады.

Пельтье эффектісін 8 – суретте көрсетілген тәжірибе арқылы демонстрациялауға болады. Мұнда 1 және 2 – бір-бірімен жалғасқан екі әртүрлі

8-сур.

өткізгіштерден жасалынған өзектер. Өзектер шыны баллонның ішіне ауа кірмейтіндей тығыз орналастырылған, ол баллон горизонталь Т түтікшемен жалғасқан және түтікшенің ішіне су тамшысы ендірілген. Шыны баллон атмосферамен К краны арқылы жалғастырылып немесе онан бөлініп тасталына алады, сөйтіп бұл газ термометрі қызметін атқарады. Өткізгіштердің жалғасқан жері қызған кезде баллонның ішіндегі қысым артып, су тамшысы оңға қарай ығысады; дәнекерленген орын салқындаған кезде тамшы кері бағытқа қарай қозғалады. Тәжірибе үшін сурьмадан (Sb) және висмуттан (Ві) жасалынған өзектер алған қолайлы. Токтың бағыты Sb-дан Ві-ге қарай болғанда дәнекерленген орын қызады.

Дәнекерленген орындағы Q_n шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы, түйісу ауданы арқылы өтетін толық зарядтың q шамасына пропорционал

Q_n = П_q = ПIt

П коэффициенті жалғасатын өткізгіштердің тегіне және температурасына тәуелді, оны Пельтье коэффициенті деп атайды.

Пельтье жылуының табиғаты былай түсіндіріледі. Әрбір электрон өзінің қозғалысында заряд қана тасымалдамай, өзіне тән энергия да тасымалдайды. Сондықтан электр тогы болған кезде өткізгіште белгілі-бір энергия ағыны пайда болады. Бұл мына жағдайда да, өткізгіштің барлық нүктелерінде температура бірдей және жылу өткізгіштіктік салдарынан энергия ағыны жоқ кезде де, пайда болады. Энергия ағыны электрондардың қозғалыс бағытымен сәйкес келеді, яғни ток тығыздығының бағытына қарама-қарсы.

Өзгермейтін ток тығыздығында әртүрлі өткізгіштерде энергия ағыны әртүрлі. Сондықтан, 1 өткізгіштегі түйісу жазықтығына келетін энергия ағыны, 2 өткізгіштегі түйісу жазықтығынан кететін энергия ағынына тең болмайды. Осы энергиялардың айырмашылығы Пельтье жылуы болады.

Томсон эффектісі

Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей отырып, Томсон мынандай қорытындыға келді, егер өткізгіш біртекті болса да және ол біртекті қыздырылмаса, бұл өткізгіштен ток жүрген кезде жылу шығару немесе жұтылу болады, ол Джоуль-Ленц жылуына қосылады немесе одан алынады. Бұл құбылыс Томсон эффектісі деп аталынады, дәлірек айтсақ түйісу құбылысына жатпайды. Алайда оның пайда болуы түйісуде болатын құбылыстармен тығыз байланысты.

Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей материалдан жасалынған 1 және 2 өткізгіштер ток тізбегіне жалғасқан, ал

9-сур.

өзектердің ұштары әртүрлі температураларда ұсталынып тұрады (мысалы, 100 және 0⁰ С). Өзектерде температура градиенті ΔТ / Δх пайда болады және жылу ағыны басталады. Бір өзекте токтың бағыты және температура градиенті бірдей, ал басқасында – қарама-қарсы. Тәжірибеде, ток жүрмеген кезде а және

б нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара түйісу ұшы орналастырылады. Ток жүрген кезде а және б нүктелерінің температуралары әртүрлі болады, мұнан бір өзекте Джоуль-Ленц жылуына қосымша жылу бөлінетіндігін, ал басқа өзекте жылу жұтылатынын (Томсон эффектісі) көрсетеді.

Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер үшін әртүрлі. Мысалы, висмут және цинкте, егер жылу ағыны мен ток бағыты сәйкес келгенде, жылу бөліну бақыланады. Бірақ дәл осындай жағдайда темірде, платинада, сурьмада жылу жұтылу бақыланады.

Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің өзгеруімен түсіндіріледі. Алғашқы біртекті өткізгіш біртекті қыздырылмаған кезде біртекті болмай қалады және сондықтан Томсон эффектісі мәні бойынша өзіндік Пельтье құбылысы болып саналады, тек мұнда өткізгіштердің біртекті еместігі өткізгіштердің химиялық құрамының әртүрлілігінен емес, температуралардың әртүрлілігінен болады.

Date: 2016-05-14; view: 2082; Нарушение авторских прав