PhysBook
PhysBook
Представиться системе

Kvant. Электричества и теплота

Материал из PhysBook

А так ли хорошо знакома вам взаимосвязь электричества и теплоты? // Квант. — 2004. — № 1. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Когда тонкая железная... проволока,.. сообщенная с одним полюсом огромной батареи,
будет... поднесена к углю, сообщенному с другим полюсом батареи, то между ними
является также больше или меньше яркое пламя, от которого... конец проволоки
почти во мгновение ока краснеет, скоро расплавляется и начинает гореть...
Василий Петров
...проводящая способность металлов меняется с изменением температуры
и уменьшается в том же отношении, в каком растет температура.
Гемфри Дэви
Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превращаемость теплоты и электричества...
Майкл Фарадей

Конечно же, пересечение этих разделов физики уже происходило на страницах «Калейдоскопа». Легко догадаться, что тогда речь шла о законе Джоуля-Ленца: его изучение имеет большое значение и ему уделено немало внимания в школе. Он даже как бы заслонил собой другие весьма важные взаимоотношения двух поначалу стоящих порознь областей физики. Однако у них оказалось немало общего, и первые попытки нащупать связи между электрическими и тепловыми явлениями осуществлялись задолго до установления закона Джоуля-Ленца. Работы Петрова, Дэви, Зеебека и Пельтье были сделаны еще в первой трети XIX века, тогда же были заложены и опытные основы термоэлектричества. В научный и практический обиход вошли такие термины, как термопара, электрокалорический эффект, термоэлектронная эмиссия.

Сегодня понимание глубинных процессов, объединяющих теплоту и электричество, определяет прогресс и в исследовании сверхпроводимости, и в электронике, и в создании новых электротехнических приборов и источников энергии, отличающихся малыми габаритами, экономичностью и экологической безопасностью.

Поэтому давайте хотя бы «притронемся» к этой интересной и важной теме.

Вопросы и задачи

  1. Иногда перегоревшую лампочку удается заставить снова светиться, встряхивая ее. Почему «ожившая» лампочка светит ярче?
  2. Отчего концы перегоревшего волоска электрического предохранителя обычно оканчиваются шариками?
  3. В момент включения лампочки сила тока в цепи отличается от той, которая имеет место, когда лампочка начинает светиться. Как изменяется ток в цепи с лампочкой, имеющей металлическую нить накала, и в цепи с лампочкой с угольной нитью?
  4. Две лампочки одинаковой мощности, рассчитанные на одно и то же напряжение, включены последовательно в сеть с этим напряжением. Одна из лампочек имеет металлическую нить накала, другая - угольную. Какая из них накалена сильнее?
  5. Почему при расчете увеличения сопротивления металлического проводника с ростом температуры не учитывают удлинение проводника?
  6. Лампу, рассчитанную на напряжение 220 В, включили в сеть с напряжением 127 В. Считая, что мощность пропорциональна квадрату напряжения, можно сделать вывод, что она будет втрое меньше номинальной. Так ли это?
  7. Когда величина тока в цепи будет больше: если вся никелиновая спираль, включенная в электрическую цепь, находится в воде или если часть ее вынута из воды?
  8. По классической электронной теории, сопротивление металлов прямо пропорционально их абсолютной температуре. Какое явление противоречит этому выводу?
  9. Почему при дуговом разряде сильно разогревается именно катод, хотя заряженные частицы бомбардируют оба электрода?
  10. Что произойдет с горящей электрической дугой, если сильно охладить отрицательный электрод? А положительный?
  11. Электрическая дуга низкого напряжения создана между угольным электродом и большой металлической плитой и питается от трансформатора. Каким будет ток в цепи: переменным или выпрямленным?
  12. Можно ли получить электронный луч в трубке, из которой полностью удален газ?
  13. Пока стеклянная палочка АВ, включенная в изображенную на рисунке цепь, остается холодной, ток цепи ничтожно мал и лампочка Л не горит. При нагревании палочки нить лампочки начинает светиться. Если теперь закоротить лампочку и убрать горелку, палочка «сама» раскаляется до яркого свечения. Как это объяснить?
    Img Kvant K-2004-01-001.jpg
  14. Для постепенного увеличения силы тока в электродвигателе при его пуске вместо реостата со скользящим контактом в цепь последовательно с двигателем включают кусок полупроводника. В чем физический смысл такой замены?
  15. Как изменяется сопротивление примесных полупроводников в зависимости от температуры?
  16. При нагревании одного из концов полупроводникового стержня, изготовленного из германия с примесью индия, возникает разность потенциалов между нагретым и холодным концами. Почему? Потенциал какого конца стержня выше?

Микроопыт

Соберите электрическую схему, состоящую из батарейки на 4,5 В, лампочки для карманного фонарика и двух полосок жести, разделенных воздушным промежутком в 1-3 мм. Если в этот промежуток ввести несколько капель некрепкого раствора соли, замыкающего цепь, лампочка станет еле заметно гореть. Однако при нагревании раствора, например горящей спичкой, накал лампочки существенно увеличится. С чем это связано?

Любопытно, что…

...сам Томас Зеебек - немецкий физик, случайно открывший термоэлектричество, ошибочно считал, что разность температур в местах соприкосновения разнородных металлов «освобождает» магнетизм, и назвал новое явление термомагнетизмом. Это, однако, не помешало ему построить термопару и использовать ее для измерения температуры.

...многие физики с сомнением отнеслись к опытам француза Жана Пельтье, обнаружившего в месте контакта двух разнородных проводников выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Возможно, недоверие было связано с тем, что до тридцати лет Пельтье был часовщиком и лишь потом посвятил себя науке.

...использование явления Пельтье в полупроводниковых термоэлементах позволило создать (уже в XX веке) холодильные машины, не уступающие по эффективности некоторым моделям домашних холодильников.

...экспериментальное подтверждение обратимости эффектов Зеебека и Пельтье получил в 1838 году русский ученый Эмилий Христианович Ленц. Поместив каплю воды на одном из спаев термоэлемента, он заморозил ее, пропуская ток по проводникам от внешнего источника, в то время как второй спай при этом нагревался.

...великий английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), сумевший объяснить термоэлектрические явления на основе термодинамики, в 1856 году открыл так называемый третий термоэлектрический эффект когда по проводнику проходит электрический ток и вдоль него имеется перепад температур, то помимо джоулева тепла в нем выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) еще некоторое количество теплоты.

...обнаруженная в 1821 году английским ученым Гемфри Дэви зависимость проводимости металлов от температуры очень слабо проявляется в сплавах. Например, сопротивление константана, состоящего из меди, никеля и марганца, практически не меняется при нагревании или охлаждении, что очень важно при конструировании особо точных электротехнических устройств.

...за выдающимся американским изобретателем Томасом Эдисоном числится и одно физическое открытие — в 1883 году он впервые наблюдал термоэлектронную эмиссию. Но не найдя этому эффекту (названному потом его именем) практического применения, Эдисон забывает об открытии. Несколько позже английский физик Джон Флеминг находит объяснение явлению и уже в 1904 году патентует вакуумный диод — первую радиолампу, работа которой связана с эффектом Эдисона.

...топливные элементы, непосредственно превращающие химическую энергию в электрическую без промежуточного образования тепла, пробовали создать более полутора столетий назад. Однако лишь сравнительно недавно эти элементы достигли стадии практического воплощения, и то в довольно экзотических случаях, как например в экспедиции «Аполлона» на Луну.

...еще одна возможность преобразования тепла в электричество осуществлена в конце XX века - это термофотоэлектричество. Энергия сжигаемого топлива переводится в инфракрасное излучение, улавливаемое полупроводниками, вырабатывающими электрический ток. Уже выпускаются действующие на этом принципе генераторы для рыболовных судов, впереди - разработка элемента питания для военных целей и автомобильной промышленности.

Что читать в «Кванте» о взаимосвязи электричества и теплоты

  1. «Эффект Эдисона» — 1996, Приложение № 6, с. 66;
  2. «О термоэлектричестве, анизотропных термоэлементах и... английской королеве» — 1997, № 1, с. 13;
  3. «И Эдисон похвалил бы вас...» — 1997, № 2, с. 14;
  4. «Просто физика» — 1998, № 4, с. 10;
  5. «Страсти по сверхпроводимости в конце тысячелетия» — 2000, № 1, с. 2;
  6. «Домашний термоэлектрогенератор» — 2001, № 4, с. 44; 2002, Приложение № 4, с. 125;
  7. Калейдоскоп «Кванта» — 2002, № 5, с. 32.

Ответы

  1. Длина спирали лампочки уменьшается, падает сопротивление и при том же напряжении растет потребляемая мощность.
  2. При перегорании волосок плавится. Пока он не застынет, действуют силы поверхностного натяжения, которые и образуют на концах волоска шарики.
  3. В первом случае ток уменьшается по мере накаливания нити, так как сопротивление металлов растет с повышением температуры. В случае угольной лампочки происходит обратное.
  4. Угольная лампочка накалена сильнее.
  5. Численное значение термического коэффициента сопротивления металла порядка 10-3, а коэффициента линейного расширения порядка 10-5. Так что на практике вторым эффектом можно пренебречь по сравнению с первым.
  6. Нет, не так. При меньшем напряжении металлическая нить накала лампы будет иметь меньшую температуру и, следовательно, меньшее сопротивление. Поэтому мощность лампы уменьшится менее чем в три раза.
  7. Ток будет больше в первом случае, поскольку от охлаждения спирали ее сопротивление падает.
  8. Явление сверхпроводимости, объяснимое только в рамках квантовой теории.
  9. Катод бомбардируют положительные ионы, масса которых в тысячи раз больше массы электронов, бомбардирующих анод.
  10. Охлаждение катода прекратит дуговой разряд; охлаждение же анода на характер разряда практически не повлияет.
  11. В цепи пойдет отчасти выпрямленный ток: электроны, испускаемые раскаленным угольным стержнем, в течение одного полупериода идут от угля к металлу.
  12. Можно. Например, с помощью термоэлектронной или фотоэлектронной эмиссии.
  13. Холодное стекло - практически изолятор. При нагреве сопротивление стекла уменьшается, сила тока растет и лампочка зажигается. При закорачивании лампочки сопротивление цепи еще уменьшается, и сила тока возрастает до такой величины, что он эффективно нагревает стеклянную палочку даже в отсутствие горелки.
  14. При нагревании полупроводника током его сопротивление уменьшается без совершения механических перемещений.
  15. При небольших температурах их сопротивление при нагревании возрастает, при высоких - уменьшается.
  16. Возникшая при нагревании диффузия свободных носителей заряда (в данном случае — дырок) в сторону холодного конца приводит к повышению его потенциала.

Микроопыт

Сопротивление электролита (раствора соли) при нагревании уменьшается.


Материал подготовил А.Леонович