Теплота і електричний струм
Маріо Льоцці
термоелектричних ефектів
Починаючи з 1794 р. Вольта
багато разів проводив такий досвід: він поміщав жабу, препаровані за методом Гальвані,
таким чином, щоб її задні лапки були опущені у воду однієї банки, а спинка і
хребетний стовп занурювалися в іншу банку з водою. Якщо ланцюг замикалася залізниці
дротом, один кінець якої опускався на кілька хвилин у киплячу воду, то спостерігалися
сильні конвульсії жаби, що продовжувалися до тих пір, поки кінець дроту не остигав.
Цей досвід пройшов непоміченим,
і про нього, мабуть, нічого не знав також Томас Зеєбека (1770-1831), який виступив у
1821 з доповідями в Берлінської Академії наук. На основі цих доповідей Зеєбека
згодом була наситила відома робота, що вийшла лише в 1825 р. Відкрите їм
явище тепер добре відомо. Сам Зеєбека описує один зі своїх численних
дослідів в такий спосіб. Невеликий шматок вісмуту був припаяний з обох кінців до мідної
спіралі. Якщо один кінець нагрівався за допомогою лампи, а інший залишався холодним,
то магнітна стрілка, укладена всередині спіралі, поверталася, вказуючи на проходження
струму, який в холодному спае йшов від міді до вісмуту.
Це явище стало відомо
в 1823 р. завдяки Ерстед, який і дав йому назву, вкорінене до наших
днів. У тому ж 1823 Фур'є і Ерстед довели, що термоелектричний ефект має
властивістю суперпозиції, і побудували перший термоелектричних батарею, що складалася
з трьох пластин сурми, чергувалися з трьома пластинами вісмуту і спаяних на
кінцях так, що вони утворювали шестикутник. Ця батарея була значно вдосконалена
в 1829 р. нобілі, який розташував біметалічні палички, з'єднавши їх не торцями,
а площинами, в похилому положенні, майже вертикально, по краях циліндричної
поверхні і помістив в судину, залитий камеддю, так що одна група спаїв була
занурена в камедь, а інша виступала назовні. Подальше вдосконалення було
внесено через рік Меллона, сконструювали призматичну модель, яка використовується
і зараз. На основі батареї Меллона і гальванометра своїй конструкції нобілі побудував
в тому ж 1830 термомультіплікатор такої чутливості, що він реагував на
тепло людського тіла на відстані 18-20 ліктів.
У 1834 р. в ході експериментальних
досліджень провідності сурми і вісмуту Жан Шарль Пельтьє (1785-1845) мав намір
визначити, як змінюється температура вздовж однорідної або різнорідного провідника,
по якому проходить струм. У зв'язку з цим Пельтьє досліджував температуру в різних
точках термоелектричної ланцюга за допомогою термопари, поєднаної з гальванометром,
причому виявив, що в місцях спаїв різних металів температура різко змінюється,
є навіть випадки охолодження. Найбільшого ефекту йому вдалося добитися з парою
вісмут - сурма. Таким чином, електричний струм може викликати й охолодження. Беккерель,
тому, що він був у науці, так би мовити, випадковою людиною - до тридцяти років Пельтьє
був годинникарем. Щоб виключити будь-які сумніви, Пельтьє підтвердив відкрите їм
явище безпосередньо за допомогою повітряного термометра. Саме цей метод і зараз
описується в підручниках. В інших своїх дослідах Пельтьє споював навхрест два шматки
металу, потім, підключивши гальванометр, пропускав через два послідовних кінця
хреста і через гальванометр термоелектричний струм, а через деякий час ланцюг
роз'єднує і під'єднував той же гальванометр, але до інших двох кінцях хреста - і
гальванометр показував струм, викликати або нагріванням, або охолодженням спаяний
хреста. В яких випадках виходить нагрівання, а в яких охолодження в місці спаяний,
точно визначив в 1838 р. Поггендорф і незалежно від нього в 1840 р. Луїджі Пачінотті
(1807-1889), батько Антоніо Пачінотті, винахідника динамо-машини постійного струму.
Закон Джоуля
Протягом перших сорока
років після винаходу батареї робилося безліч спроб, частиною невдалих,
а частиною незавершені, з'ясувати, яким законом підкоряється виділення тепла електричним
струмом. Невдачі цих спроб можна пояснити недостатньою ясністю понять сили
струму та електричного опору і як наслідок - відсутністю точно визначених
одиниць виміру. До того ж через незнання закону Ома дослідники підключали в
ланцюг послідовно дроти з різним опором, вважаючи, що вони тим самим
змінюють тільки спротив, а не силу струму. Цим пояснюється невдача деяких
досліджень, таких, як дослідження Вільяма Харріса (1791 - 1867), які, як
стало ясно тепер, цілком могли призвести до бажаної мети.
У 1841 р. почав Джоуль
експериментальне дослідження теплоти, що виділяється провідником. Йому прийшла вдала
думка прокалібровать спочатку свою тангенс-бусоль в ланцюзі з вольтаметром, як це
пропонував робити Фарадей. Нагріваючі пристосування складалося з досліджуваного провідника,
обмотаного спіраллю навколо тонкої скляної трубки, зануреного в скляний резервуар
з певною кількістю води, і чутливого термометра. У трьох проводилися
дослідах, в кожному з яких послідовно з'єднувалися два опору, занурені
в однакові калориметри, Джоуль встановив, що при одній і тій же силі струму кількість
виділяється теплоти пропорційно опорам провідників.
Цей перший результат
привів його до формулювання гіпотези про вплив сили струму. Він висловив її в такому не
дуже ясному міркуванні: «Розмірковуючи над вищезазначеним законом, я подумав, що дія
струму має змінюватися при збільшенні сили електричного струму як квадрат сили
струму, тому що ясно, що в такому випадку опір має змінюватися в подвійному
відношенні: через збільшення кількості проходить електрики в даний проміжок
часу, а також через збільшення самої його швидкості ».
Джоуль, ймовірно, хотів
сказати, що теплота, що виділяється струмом, викликається ударами частинок електричного
флюїда про частки провідника. Тому, якщо збільшується сила струму, збільшується
швидкість часток електричного флюїда і удари виходять більш сильними, а також
частішими внаслідок збільшення кількості електричного флюїда, що проходить
за даний проміжок часу через перетин провідника.
Але як би там не було,
Джоуль піддав свою гіпотезу дослідної перевірки і виявив, що кількість тепла,
зміряне калориметр, в який була занурена мідна спіраль, так мало відрізнялося
від розрахункового, що можна було визнати закон цілком підтвердженим, принаймні
для металевих провідників.
Набагато більш оригінальними
були досліди, проведені Джоулів для перевірки цього закону для струмів в електролітах
і для струмів індукції. Результати цих досліджень були викладені в роботі 1843
У цій роботі встановлюється, що в будь-якому разі, з будь-яким провідником, при будь-якому
струмі виділяється тепло пропорційно опору провідника і квадрату сили струму.
Природно, що багато
вчені повторили досліди Джоуля, видозміни їх, і підтвердили отримані Джоулів
результати, вивівши з них першим слідства. Серед цих наслідків ми згадаємо лише
результат, отриманий в 1844 р. у Петербурзі Ленцом і незалежно від нього в 1845
р. професором фізики в Туріні Доменіко Ботто (1791-1865). Ці дослідники встановили,
що генератор може віддати в зовнішнє ланцюг максимальну кількість тепла, якщо опір
ланцюга одно внутрішнього опору генератора. Саме в зв'язку з цим Ленц почав
нелегку роботу з визначення залежності температури нагрівання провідника від минаючі
по ньому струму і від середовища, в якому він знаходиться.
Уклала к.т.н. Савельєва
Ф.Н.
Список літератури
Для підготовки даної
роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
