Термоэлектричество

Первые же опыты с электрическим током — с начала XIX века — привели к открытию его химических, тепловых, световых и магнитных воздействий. Они широко известны и используются нами повседневно (самые простые примеры: аккумулятор, ТЭН, лампочка, звонок). Об этом немало написано технических и исторических статей, в том числе — в газете Электромонтаж, благодаря которым мы хорошо знаем имена А. Вольта, Л. Гальвани, В. Петрова, Х. Дэви, Г. Эрстеда, У. Томпсона (лорда Кельвина).

Странно, но мы читали гораздо меньше об обнаружении термоэлектрического эффекта — хотя имена фигурируют зачастую те же самые. Правда, мы слышали, что бывают три взаимосвязанных явления: термоэлектрический эффект Зеебека — прямого преобразования теплоты в электричество в разнородных проводниках, и электротермические эффекты Пельтье и Томсона прямого нагревания и охлаждения их спаев проходящим током.

Между тем, ещё в 1794 г. Алессандро Вольта, проводя опыты по «животному электричеству», задние лапки препарированной лягушки опускал в одну банку с водой, а шею — в другую, и опускал в эти банки проволоку с одним нагретым концом — мышцы лягушки конвульсировали, пока проволока не остывала — как будто от тока. Но тогда это явление не было объяснено.

Томас Иоганн Зеебек, немецкий врач, (он до 48 лет жил в статусе частного лица, а в 1818 г. был избран членом Академии наук в Берлине, сделал несколько открытий в оптике, акустике, учении о теплоте, изучал химическое действие света), в 1821 г. рассказал в Академии, что небольшой стержень висмута он припаял концами к медной спирали, на которой разместил магнитную стрелку. Если один спай нагревали, стрелка поворачивалась — как в опыте Г. Эрстеда 1920 г. вблизи проводника с током. Значит и в опытах Зеебека и Вольта действовал ток.

Это позволило сформулировать термоэлектрический эффект Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах, и исчезает при их уравнивании. Величина ЭДС зависит только от материала проводников и температур контактов, ток течёт от горячего конца к холодному. Такая цепь называется термоэлементом (термопарой).

Ганс-Христиан Эрстед, доктор философии и дипломированный фармацевт, в 1823 г. (уже почётный член многих академий, первооткрыватель электромагнетизма), из пластин сурьмы и висмута, спаянных на концах в форме шестиугольника, построил термоэлектрическую батарею.

Леопольде Нобили, капитан итальянской армии, в 1829 г. соединил биметаллические палочки не торцами, а плоскостями, и поместил в сосуд с камедью.

Маседонио Меллони, изучавший инфракрасное излучение, через год сделал модель призматической батареи. На основе которой и гальванометра своей конструкции Л. Нобили построил термомультипликатор, реагировавший на тепло человеческого тела на расстоянии 18–20 локтей.

Сам же Т. Зеебек впоследствии замерил термо-ЭДС множества металлов, сплавов, минералов и даже полупроводников, чем заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества.

Электротермический эффект Пельтье как бы обратен» эффекту Зеебека — это когда при прохождении тока в месте спая двух разнородных проводников выделяется или поглощается тепло, величина которого зависит от контактирующих веществ, направления и силы тока. Это явление открыл в 1834 г. в ходе исследований проводимости сурьмы и висмута с целью выяснения, как изменяется температура вдоль однородного или разнородного проводника, по которому проходит ток, французский часовщик Жан Шарль Пельтье. Он измерял температуру в разных точках термоэлектрической цепи и обнаружил, что в местах спаев разных металлов она может не только резко повышаться, но и понижаться.

В 1838 г. наш Эмилий Христианович Ленц уточнил: если поместить каплю воды в углубление на биметаллическом стыке,— при пропускании тока в одном направлении она превратится в лёд, а в другом направлении — лёд растает. То есть, помимо тепла, выделяемого в соответствии с законом Джоуля-Ленца (который был открыт через три года), выделяется или поглощается и дополнительное тепло — тепло Пельтье.

В каких случаях получается нагревание, а в каких охлаждение, определили в 1838 г. профессор Берлинского университета, доктор философии и доктор медицины Иоганн-Христиан Поггендорф, и, независимо от него, в 1840 г.— Луиджи Пачинотти, отец изобретателя динамо-машины постоянного тока.

Эффект Пельтье более заметен у полупроводников. Используется в элементах Пельтье, которые применяются в маломощных охладителях, автомобильных холодильниках, цифровых фотокамерах, ПЦР-амплификаторах, где невозможно применение компрессора — и т.п. или наоборот, в качестве обогревателя (например, для бутылочек с детским питанием).

В 1854 Уильям Томсон (удостоенный за заслуги в математике и педагогике титула лорд Кельвин) подумал: интересно бы эффекты Зеебека и Пельтье получить одновременно. И стал нагревать металлический проводник в средней точке и одновременно пропускать по нему электрический ток. На концах проводника возникла разность температур: где ток направлен к месту нагрева, температура понижалась, а где от точки нагрева,— повышалась. То есть, дополнительно к Джоуле-Ленцевой теплоте выделяется или поглощается теплота Томсона, пропорциональная силе и направлению тока, времени и перепаду температур.

Если термоэлектрическую батарею состыковать с долговременным источником теплоты, (например небольшим количеством радиоактивного вещества), получится генератор с КПД преобразования тепловой энергии в электрическую 16–17% (для паротурбинных электростанций он 20–40%). И применять там, где от источника питания требуются долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды — в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях.

Может, мы потому так мало о них и знаем.