Учебник - Трактат об электричестве и магнетизме Том 1 - Джеймс К.М. (1238775), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Поэтому, если мы можем измерить количество тока и количество выделенного или поглощенного им тепла, то мы можем определить и электро- движущую силу, потребную для создания этого тока в данном участке проводника, причем такое измерение совершенно не зависит от действия контактных сил в других участках цепи. Электродвижущая сила на соединении двух металлов, определенная таким методом, не объясняет Вольтовой электродвижущей силы, описанной в п. 246. Последняя оказывается, вообще говоря, много больше, чем та, о которой идет речь в данном разделе, и иногда имеет противоположный знак.
Поэтому предположение, что потенциал металла следует измерять потенциалом воздуха, находящегося в контакте с этим металлом, должно быть ошибочным. Большую часть Вольтовой электродвижущей силы нужно искать не в месте соединения двух ме- т Ргос. Я. а. Ейк.. Оес. 18, 1851 апа Тгапт. Я. 5. Ежа., 1854. Глава ПЬ Электродвяжущая сала между соприкасающимися телами 304 таллов, а на одной или обеих поверхностях, отделяющих эти металлы от воздуха или от другой среды, которая образует третий элемент цепи. 250.
Открытие Зеебеком (ЯееЬес)с) термоэлектрических токов в цепях, составленных нз различных металлов с разной температурой мест соединения, показывает, что в замкнутой цепи эти контактные силы не всегда уравновешивают друг друга. Ясно, однако, что в замкнутой цепи, составленной из различных металлов прн однородной температуре, контактные силы должны уравновешиваться. Если бы это было не так, то существовал бы ток, образовавшийся в цепи, и этот ток можно было бы использовать для приведения в действие какого-нибудь механизма нли для выделения тепла в цепи, т.
е. для совершения работы. При этом не происходило бы никакого расходования энергии, поскольку температура во всех участках цепи одна и та же и нет ни химических, ни каких-либо других изменений. Поэтому, если эффект Пельтье на соединении двух металлов а и Ь определяется постоянной П, „если ток течет от а к Ь, то для цепи„составленной из двух металлов с одной и той же температурой, мы должны иметь П,е+Пе,— — О, а для цепи из трех металлов а, Ь и с П„+П„+П,в —— О.
Из этого соотношения следует, что эти три эффекта Пельтье не являются независимыми и один из них может быть определен через два других. Например„ если мы примем металл с за стандартный и если напишем Р,=1П„и Ре=УП„, то /П,в=Р,— Р„. Величина Р, зависит от температуры и от природы металла а. 251. Магнус (Маапнз) показал, что в цепи, составленной из металла одного сорта, не возникает тока, как бы ни менялись сечение проводника и температура в различных участках цепи.
Поскольку в этом случае имеет место теплопроводность и связанная с ней диссипация энергии, мы не можем, в отличие от предыдущего случая, считать этот результат самоочевидным. Например, электродвижущая сила между двумя участками цепи могла бы зависеть от того, идет ли ток из более толстой части проводника в более тонкую или в обратном направлении.
Электродвижущая сила могла бы также зависеть от того, быстро или медленно идет ток от горячего участка проводника к холодному или наоборот. При этом было бы возможно существование тока в цепи, составленной из металла одного сорта при различном нагреве разных ее частей. Следовательно, рассуждая так же, как в случае явления Пельтье, мы найдем, что если при прохождении тока через проводник из металла одного сорта имеет место тепловой эффект, который меняет знак при обращении тока, то это возможно лишь в том случае, когда ток течет от мест с более высокой к местам с более низкой температурой или наоборот. Пусть тепло, выделяемое в проводнике из металла одного сорта при прохождении тока от места, где температура равна х, до места, где она равна у, имеет величину Н.
Тогда ,/Н=ЯСЧ вЂ” ЗллСУ, и электродвижущая сила, стремящаяся поддерживать ток, равна 5 „. Пусть х, у, а — значения температуры в трех точках однородной цепи. Тогда мы должны иметь З„,+З,а+Зле=о Часть 11. Злектрокииематика 302 в соответствии с результатом Магнуса. Если мы примем температуру г за нулевую и если обозначим Я,=5„, и Я„=5у„мы найдем 5„у=9„.— Яу где 9з зависит от температуры х.
Характер этой зависимости определяется прйродой металла. Если мы рассмотрим теперь цепь, составленную из двух металлов а и б, причем то соединение, где ток идет от а к б, находится при температуре х, а соединение, где ток идет от Ь к а — при температуре у, то электродвижущая сила будет равна Г .=- Є— Рь„+ Я~„— Ям + Рек — Р, у+ Р~ — Я,з, где Р,„— значение величины Р для металла а при температуре х.
Зто соотношение перепишем в виде ' Рез Яак (Рау Г)ау) Рак Яьк) Рьу Оьу' Поскольку в неоднородно нагретых цепях, составленных из различных металлов, вообще говоря, имеются термоэлектрические токи, из последнего соотношения следует, что величины Р и Я, относящиеся к одному и тому же металлу и к одной и той же температуре, вообще говоря, различны. 282. Существование величины (~ было впервые показано сэром У. Томсоном в его уже цитированном мемуаре как следствие из открытого Каммингом (Сцшш1пд)з явления термоэлектрической инверсии.
Камминг показал, что порядок следования некоторых металлов в термоэлектрической шкале различен при высоких н при низких температурах, так что при определенной температуре два металла могут стать нейтральными друг относительно друга. Так, например, если в цепи, состоящей из меди и железа, одно соединение поддерживается при обычной температуре, а температура другого повышается, возникает ток, который идет от меди к железу через более горячее соединение.
При этом электродвижущая сила растет, пока горячее соединение не достигнет температуры Т, которая по Томсону примерно равна 284'С. Если температура горячего соединения растет дальше, электродвижу1цая сила уменьшается, и, наконец, при достаточно высокой температуре направление тока меняется. Обращение тока легче получить. повышая температуру более холодного соединения. Если температура обоих соединений превышает величину Т, ток идет в направлении от железа к меди через более нагретое соединение, т. е. в направлении, противоположном тому, которое имело место при температуре обоих соединений ниже Т.
Таким образом, если одно из соединений находится при нейтральной температуре Т, а второе либо теплее, либо холоднее первого, то в соединении, находящемся при нейтральной температуре, устанавливается ток, текущий от меди к железу. 253. Исходя из этого факта, Томсон рассуждал следующим образом. Предположим, что второе соединение находится при температуре меньшей, чем Т. Возникающий ток может быть использован для работы какой-нибудь машины или для нагревания проволоки. Зта затрата энергии должна сопровождаться превращением тепла в электрическую энергию, т.
е. где-то в цепи тепло должно исчезать. Но при температуре Т железо и медь нейтральны друг к другу, поэтому иа горячем соединении не происходит обратных тепловых эффектов. Нв з Сптзмпде Тгапзасиопз, !823. Глава 1РК Элеитропвижущвя силл между соприквслмщимися телами 303 холодном же соединении, в согласии с законом Пельтье, происходит выделение или поглощение тепла током.
Таким образом, тепло может исчезать только в медном или в железном участках цепи, так что или ток в железе, текущий от горячего соединения к холодному, должен охлаждать железо, или ток в меди, текущий от холодного соединения к горячему, должен охлаждать медь, или же оба эти явления должны иметь место одновременно. С помощью кропотливой серии искусных экспериментов Томсону удалось обнаружить обратимое тепловое действие тока, текущего между участками с различной температурой, причем он нашел, что действие тока в железе и в меди противоположно '. Когда поток материальной жидкости движется через трубу от горячего ее конца к холодному, поток нагревает трубу, а когда поток движется от холодного конца трубы к горячему, он охлаждает трубу.
Эти эффекты зависят от величины удельной теплоемкости жидкости. Если бы мы предположили, что электричество, положительное или отрицательное, представляет собой материальную жидкость, мы могли бы измерить ее удельную теплоемкость по тепловым эффектам в неоднородно нагретом проводнике. Но эксперименты Томсона показали, что положительное электричество в меди и отрицательное электричество в железе переносят тепло от горячего участка цепи к холодному. Таким образом, приняв, что или положительное, или отрицательное элект 'ричество представляет собой жидкость, способную нагреваться и охлаждаться н передавать тепло другим телам, мы придем к выводу, что это предположение не выполняется в железе для положительного электричества, а в меди — для отрицательного.
Поэтому следует отказаться от обоих этих гипотез. Это научное предсказание обратимого воздействия, которое оказывает электрический ток на неравномерно нагретый проводник из металла одного сорта, дает еще один поучительный пример применения Закона Сохранения Энергии для указаний новых направлений научного исследования. Томсон также применил Второй Закон Термодинамики для установления связи между величинами, которые мы обозначили через Р и Я, и рассмотрел возможные термоэлектрические свойства тел, строение которых различно в различных направлениях. Он также изучил на опыте условия, при которых эти свойства меняются под действием давления, намагничения и т.
д. 254, Профессор Тэт ' недавно исследовал электродвижущую силу в термоэлектрических цепях, составленных из разных металлов, контакты между которыми имеют разную температуру. Он нашел, что злектродвижущая сила в контуре о хорошей точностью выражается формулой Е=а(1,— 1е) [1,— (1,+1,)/21, где 1, — абсолютная температура горячего соединения, 1, — холодного, а 1„— температура, при которой оба металла нейтральны друг к другу. Коэффициент а зависит от природы двух металлов, составляющих цепь. Справедливость этого закона в широкой области значений температуры была проверена профессором Татом и его учениками, и он надеется создать такую термоэлектрическую цепь, е сОп !Пе Е1ес!тоотпагп!с Яиа!1!!ев о1 Ме1а!вь Р1Н1. Тгапп, Рат! 111, 1856.
е Ргас. Коу. Яос. Ейп. Зеве!оп !870 — !871, р. 308, также 17ес. !8, 187!. Часть 11. Заектрокнненатнка 304 которая будет служить как прибор для измерения температуры в его опытах по исследованию теплопроводности, а также и в других случаях, где ртутный термометр либо неудобен, либо не покрывает достаточного температурного интервала. По теории Тэта, величина, которую Томсон называет удельной теплоемкостыо электричества, пропорциональна абсолютной температуре для каждого чистого металла, хотя ее значение и даже знак различны для разных металлов. Отсюда с помощью законов термодинамики он вывел следующие результаты. Пусть я,й яь| и й,! — удельные теплоемкости электричества в трех металлах а, 6 и с соответственно.
Пусть далее Т„, Т„, Т,ь — значения температуры, при которой соответствующие пары этих металлов нейтральны друг к другу. Тогда уравнения (й,— й,) Т„+(й,— й.) Т,.+ (й„— й,) Т.„=О, .(П.,=(й.— й,)1(Т.,— 1), Е., -(й.— й,) (1,— 1,) (Т.„— (1,+ 1,У21 выражают связь между значениями нейтральных температур, коэффициентом Пельтье и электродвижущими силами в термоэлектрической цепи. ГЛАВА !7 ЭЛЕКТРОЛИЗ Электролит ическоя проводимость 255. Я уже отмечал, что когда электрический ток в любой части цепи проходит через некоторые сложные вещества, называемые Электролитами, прохождение тока сопровождается определенным химическим процессом, который называется Электролизом. В этом процессе вещество разлагается на две компоненты, называемые Ионами, из которых одна, называемая Анионом, или электроотрицательной компонентой, появляется на Аноде, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
