Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - электричество

— Э. называется то, содержащееся в теле, что сообщает этому телу особые свойства, вызывает в нем способность действовать механически на некоторые другие тела, притягивать или при известных условиях отталкивать их, а также вызывает в самом этом теле способность испытывать подобные же механические действия других тел. Кроме этого, Э., содержащееся в теле, представляет собою при определенных условиях причину особого светового явления, возникающего около тела или в виде искры, как бы выскакивающей из поверхности этого тела, или в виде светящейся кисти, или, наконец, туманного свечения, окружающего это тело. Все такие явления, т. е. вышеупомянутые притяжения или отталкивания между телами, а также и особые свечения, наблюдаемые около тел, носят общее название "электрические явления" Самое слово "электрические, -ая, -ое" введено в науку Гильбертом (Gilbert). Оно явилось в замечательном труде Гильберта, напечатанном в Лондоне в 1600 г. под названием "De magnete magneticisque corporibus et de magno magnete tellure Physiologia nova". В этой своей книге Гильберт впервые показал, что необходимо различать два рода явлений: магнитные и те, которые наблюдаются при употреблении янтаря, потертого шерстью. Гильберт указал дальше, что способность янтаря, после того как он был подвергнут натиранию чем-либо шерстяным, притягивать к себе легкие тела возбуждается и во многих других телах (напр. в алмазе, горном хрустале, в смоле, в стекле и т. д.) при подобных же условиях, т. е. после натирания этих тел шерстью или мехом. Эту-то притягательную силу, проявляемую натертым янтарем или натертым другим телом, Гильберт и назвал "электрическою силою" (... electricam nobis placet appellare...) от греческого названия янтаря — ηλεκτρον. Гильберт впервые заметил, что влажность воздуха в значительной степени мешает приведению янтаря, а также и других тел в электрическое состояние. Следующий шаг в развитии знаний об электрических явлениях был сделан только 71 год спустя после опубликования труда Гильберта, а именно в 1671 г., и он был сделан известным изобретателем воздушного насоса Отто фон Герике. Отто фон Герике открыл взаимное отталкивание двух наэлектризованных тел, передачу электрического состояния от одного тела другому при посредстве соединяющего эти два тела третьего тела, впервые подметил возбуждение электризации в теле при приближении его к другому наэлектризованному и впервые заметил электрическое свечение. Он первый устроил и электрическую машину, при посредстве которой можно было получать сравнительно сильную электризацию. Машина фон Герике представляла собою смоляной шар на железной оси, приводимой во вращение. Когда вращалась ось, a вместе с нею и смоляной шар, то этот шар электризовался при наложении на него руки. После фон Герике опять в течение почти 60-ти лет не было сделано никакого нового крупного открытия в области электрических явлений. Можно отметить лишь указание Бойля, что если наэлектризованное тело притягивает какое-нибудь другое тело, не наэлектризованное, то и обратно, оно само притягивается последним, да опыт Ньютона, доказавший что промежуточный слой стекла не препятствует действию между наэлектризованным телами. В 1729 г. Стефан Грей обнаружил важный факт — неодинаковое отношение различных тел к передаче при их посредстве электрического состояния от одного тела к другому. Вскоре после этого, благодаря особенно опытам Дю-Фэ (Du-Fay), и было установлено разделение тел на два класса: проводники и непроводники Э. Самые термины эти были введены в науку Дезагюлье. В 1733 г. Дю-Фэ открыл существование двух родов электрического состояния. Он показал, что натертое шерстью стекло отталкивает другое, также натертое шерстью стекло и притягивает кусок смолы, натертый мехом, причем этот кусок смолы сам по себе отталкивает другой такой же, также натертый мехом. Он показал, что совершенно подобное же проявляют и другие тела, которые приведены в электрическое состояние прикосновением к ним наэлектризованного стекла или наэлектризованной смолы: тела, наэлектризованные натертым шерстью стеклом, отталкивают друг друга и, обратно, притягивают к себе тела, которые были наэлектризованы натертой мехом смолой. Дю-Фэ назвал Э. стекла, натертого шерстью, "стеклянным", Э. смолы, натертой мехом, "смоляным" Независимо от Дю-Фэ то же самое открытие было сделано (в 1747 г.) Франклином, который соответственно своей гипотезе об Э. назвал первое — положительным Э., второе — отрицательным Э. Эти названия Франклина и удержались в науке. В 1745 г. Клейст и почти в то же время Кунеус в Лейдене случайно заметили явление, которое послужило к устройству так назыв. лейденских банок. Дальнейшие исследования лейденской банки и вообще электрических конденсаторов принадлежат Франклину. Хотя еще фон Герике наблюдал явление электрической индукции, но первый подробно описавший это явление и старавшийся объяснить его был Кантон. Вильке и затем в особенности Эпинус расширили сведения о явлениях электрической индукции. Эпинус пытался даже представить законы индукции в математической форме. В 1759 г. Сеймер (Symmer) связал все известные в то время электрические явления предложенною им гипотезой двух электрических жидкостей. По этой гипотезе Э. есть особая субстанция, не подчиняющаяся всемирному тяготению и обладающая свойством проникать в материальные тела, — субстанция весьма подвижная, наподобие идеальной жидкости. Существуют две такие субстанции, две электрические жидкости: положительная и отрицательная. Части одной и той же жидкости взаимно отталкивают друг друга, части двух различных жидкостей взаимно притягивают друг друга. В каждом проводящем теле, пока оно не наэлектризовано, содержится одно и то же количество двух этих субстанций, смешанных друг с другом. Но эти две субстанции могут быть частью отделены друг от друга. Разделение их друг от друга и обусловливает электризацию тела. Каждая из этих субстанций может передаваться от одного тела другому при непосредственном прикосновении этих тел. Таким образом и сообщается электрическое состояние от одного тела другому. Гипотеза Сеймера легла в основу математической теории Э. Она и в настоящее время представляет большие удобства для описания электрических явлений, вследствие чего удержалась и доныне в науке. Почти одновременно с гипотезой Сеймера была предложена Франклином другая гипотеза. Франклин допустил существование только одной субстанции, одной электрической жидкости. Эта жидкость, по Франклину, содержится в каждом теле, и до тех пор, пока она содержится в теле в определенном количестве, это тело не обнаруживает признаков электрического состояния. Но если вследствие какой-нибудь причины количество этой жидкости в теле увеличится, тело явится наэлектризованным положительно. Наоборот, если количество этой жидкости уменьшится, тело получит свойства отрицательно наэлектризованного. Самый процесс электризации представляет собой, по Франклину, перераспределение электрической жидкости в теле. Для объяснения электрических притяжений и отталкиваний Франклин принял, что частицы электрической жидкости, равно как и частицы обыкновенной материи, взаимно отталкиваются, частицы же материи и частицы электрической жидкости взаимно притягиваются. Таким образом, наблюдаемое действие друг на друга двух каких-либо тел является результатом четырех отдельных взаимодействий: материи и Э. первого тела на материю и Э. второго. Теория Франклина не получила большого распространения. Однако в 70-х годах прошлого (XIX) столетия известный шведский физик Эдлунд предложил теорию, весьма близкую к теории Франклина. По мнению Эдлунда, положительное Э. — это уплотненный эфир, отрицательное Э. — это эфир, которого плотность меньше нормальной. Эдлунд так же, как и Франклин, допускал, что частицы материи, равно как и частицы эфира в отдельности взаимно отталкиваются, обратно, что частицы материи и частицы эфира друг друга взаимно притягивают.

Несмотря на довольно значительное число различных фактов из области электрических явлений, сделавшихся известными во второй половине XVIII столетия, вплоть до 1785 года изучение этих явлений носило только качественный характер. В 1785 г. явился мемуар Кулона, в котором был формулирован количественный закон, управляющий электрическими взаимодействиями. Этот закон, называемый и поныне законом Кулона, был выведен последним на основании данных опытов. Он положил начало строгому изучению явлений электричества при весьма обширном пользовании для этого математическим анализом. В действительности же, как это оказалось в семидесятых годах XIX столетия, еще за 12 лет раньше Кулона и также на основании опытов был найден Кэвендишем совершенно такой же закон электрических действий. Но работы Кэвендиша оставались неопубликованными в течение целого столетия, они хранились в архиве Кембриджского университета. Лишь в 1879 году Максвелл обнародовал мемуары Кэвендиша, повторив предварительно с более точными инструментами его опыты. Закон Кулона может быть формулирован следующим образом. Два количества электричества, мысленно сосредоточенные в двух отдельных точках, взаимно отталкивают друг друга, если они одноименны, и взаимно притягивают друг друга, если они разноименны, с силой, которая пропорциональна произведению этих количеств и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Крайняя простота закона Кулона и полное подобие его установленному Ньютоном закону всемирного тяготения дали возможность построения изящной в математическом отношении теории электричества. Грин, Гаусс, Пуассон особенно развили эту теорию (см Электростатика). В девяностых годах XVIII столетия на основании случайно подмеченного Гальвани факта Александр Вольта открывает совершенно новую область электрических явлений, находит, что два разнородных проводника приобретают электрические состояния, один электризуется положительно, другой отрицательно, только оттого, что они приводятся в тесное соприкосновение друг к другу. Это открытие Вольты и послужило началом открытия целого ряда явлений, довольно скоро представивших собой весьма обширную группу, получившую общее название явлений гальванического тока (см. Гальванизм, Электрический ток). Особенного внимания заслуживают открытия нижеследующих явлений этой категории. В 1800 г. Карлейль и Никольс впервые произвели разложение воды действием электрического тока. В 1802 г. Дэви впервые получил при посредстве батареи из 2000 элементов (медь, цинк, вода) между углями световую дугу, названную в честь Вольты вольтовой дугой. Почти одновременно с Дэви электрический свет при раздвинутых углях был получен и в Петербурге профессором Военно-медицинской академии В. Петровым. В 1820 г. Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку, а непосредственно вслед за этим Ампер произвел ряд открытий новых явлений; он заметил и тщательно исследовал действия между проводниками с токами (см. Электродинамика), действие на проводники с токами магнитов и, наконец, действие на проводники с токами земли. В том же году Араго впервые намагнитил током сталь и железо. В 1822 г. Зеебек открыл явления термоэлектричества. В 1 823 г. Ампер опубликовал теорию электродинамических и электромагнитных явлений. В 1825 г. Стерджен (Sturgeon) устроил первый электромагнит. В 1827 г. Ом установил основной закон явления электрического тока, получивший название закона Ома. Через 4 года, осенью 1831 г., Михаил Фарадей открывает явления индукции токов, в 1834 г. дает законы электролиза, а в 1837 г. показывает важное значение изолирующей среды в явлениях электрической индукции. На основании своих опытов Фарадей приходит к заключению, что все электрические и магнитные действия передаются на расстояние благодаря участию промежуточной среды. В 30-х годах явились весьма важные работы Вебера и Гаусса, в которых впервые электрические и магнитные величины были выражены в абсолютных единицах. В 1844 г. напечатан мемуар академика Э. Х. Ленца, в котором был формулирован закон выделения тепла от действия тока, — закон, названный законом Ленца-Джоуля. В следующем году, в 1845, Фарадей производит два громадной важности открытия: вращение плоскости поляризации света действием магнитного поля и способность намагничивания у всех тел природы. В 1847 г. является мемуар Гельмгольца "Ueber die Elhaltung der Kraft", в котором впервые проводится в область явлений электричества принцип сохранения энергии. Далее шли непрерывно новые и новые открытия, а вместе с ними нарождались и новые взгляды на самую сущность Э. В кратком очерке невозможно даже перечислить все эти открытые явления и выведенные на основании опытов и теоретических представлений различные законы. Но необходимо отметить появление мемуара Максвелла "А dynamical Theory of the electromagnetic Field" (1864) и в особенности классической книги Максвелла "Treatise on Electricity and Magnetism" (1873). В своих мемуарах и в своей книге Максвелл дал совершенно новую теорию электрических и магнитных явлений, представляющую собой развитие идей Фарадея, выраженных в математической форме. Максвелл предсказал конечную скорость распространения в пространстве электромагнитных действий и пришел к заключению, что явления света суть явления электромагнитные, что распространение света есть не что иное, как распространение по направлению луча поперечных электрических колебаний. Этим Максвелл положил основание электромагнитной теории света (см. Электромагнитная теория света). В 188 8 г. замечательные опыты Герца (см. Герца опыты) подтвердили правильность теоретических выводов Максвелла. Необходимо отметить еще появление в 1869 г. мемуара Гитторфа и затем, в 1879 г., появление мемуара Крукса. В этих мемуарах, в особенности в последнем, содержится описание чрезвычайно интересного электрического свечения в сильно разреженном газе, т. е. излагаются исследования над явлением катодных лучей, явлением, которое при дальнейшем его изучении привело к установлению идеи об электроне, иначе — идее об атоме Э. (см. Электронная теория). Эта идея об атоме Э. впервые была высказана Гельмгольцем в 1881 г. в его замечательной речи ("Die neuere Entwickelung von Faraday's Ideen über Elektricitä t"), произнесенной в Лондонском химическ. общ., в заседании, которое было посвящено чествованию памяти Фарадея. В 1895 г. Рентген открывает свои лучи, а в следующем году, в 1896 г., А. Беккерель открывает новую область явлений радиоактивности.

Выше было упомянуто, что во второй половине XIX стол. возникали новые, отличные от прежнего взгляды на сущность Э. В это время некоторыми физиками высказывалось мнение, что Э. само по себе не есть самобытная субстанция, а представляет собой лишь особое движение эфира, заполняющего исследуемое тело, что электрическое состояние тела является, таким образом, как результат приведения в движение эфира этого тела (Ганкель, Рейнард, Фан дер Флит). До последнего времени полагали, что Э. неотделимо от вещества, что оно непосредственно связано с материей. В настоящее время есть основание полагать, что Э., по крайней мере отрицательное, может быть отделено от обыкновенного вещества, может быть наблюдаемо в отдельности от последнего (см. Электронная теория). Опыты показывают, что Э., как и обыкновенная материя, не уничтожается и не созидается. "Данное количество Э. остается постоянным, какому бы перераспределению и каким бы процессам оно не подвергалось". Таков закон, который был впервые в несколько иной форме высказан еще Фарадеем и затем окончательно подобным образом был формулирован Липманом. Фарадей указал еще на то обстоятельство, что всегда данному заряду на каком-нибудь теле соответствует появление такого же по величине, но обратного по знаку заряда в другом месте, причем оба эти заряда как бы связаны друг с другом при посредстве так назыв. "трубок электрических сил". Эти трубки сил, возникающие в изолирующей среде и соединяющие собой равные, но противоположные по знаку количества Э., представляют собой направления "поляризации" среды, т. е. направления особых деформаций эфира последней. По Фарадею, самое появление электричеств на поверхностях проводников — лишь следствие влияния на них поляризованной окружающей среды. На основании весьма простых опытов Фарадей пришел к заключению, что в изолирующей среде, в которой возбуждено электрическое поле, т. е. в которой находятся наэлектризованные тела, а следовательно, могут быть наблюдаемы электрические силы, существуют вдоль трубок силы натяжения, по направлениям же, перпендикулярным к этим трубкам, — давления. Максвелл в своей теории Э. дал математическое доказательство этого положения Фарадея. То же самое, еще более строгим образом, было доказано Гельмгольцем в его замечательном мемуаре "Ueber die auf das Innere magnetisch oder di ë lektrisch polarisirter К örper wirkenden Kräfte" ("Wissenschaftlich e Abhandl.", I, стр. 798). Нужно заметить, что сам Фарадей совсем не затрагивал вопроса о сущности того, что мы называем Э. Для его теории, а равным образом и для теории Максвелла равнозначительно, представляет ли из себя Э. особую самобытную субстанцию, или же оно является лишь особым состоянием материи. Как уже упомянуто выше, появление какого-либо количества Э. на элементе поверхности электризуемого каким бы то ни было способом проводника сопровождается, по Фарадею, получением такого же по величине, но обратного по знаку количества Э. в конце проведенной через этот элемент трубки сил (или, точнее, по Масквеллу, трубки индукции) — там, где эта трубка встречает поверхность другого проводника. Согласно теории Максвелла, по всей длине трубки сил (индукции) в любом поперечном сечении ее происходит процесс, подобный тому, какой наблюдается на концах этой трубки, т. е. по обеим сторонам этого сечения появляются Э., равные по количеству, но противоположные по знаку. Эти Э. не могут быть наблюдаемы, так как они компенсируются электричествами, появляющимися в соседнем слое. Такое явление, такое как бы разделение Э. вдоль трубок сил (индукции) Максвелл назвал электрическим смещением (electric displacement). По Максвеллу, "электрическое смещение", отнесенное к единице поперечного сечения пучка трубок сил (индукции), выражается формулой:

D = (1/4 π)·KF,

в которой K обозначает диэлектрическую постоянную данной среды, а F — силу, испытываемую в том месте, где определяется электрическое смещение, единицей количества Э. Что на самом деле представляет собой деформация, названная электрическим смещением, т. е. в чем состоит самый механический процесс, происходящий при этом в каждом элементе среды, неизвестно. Но по внешности этот процесс можно уподобить перемещению положительного Э. по направлению электрической силы и отрицательного Э., того же количества, по направлению прямо противоположному. Электрическое смещение, т. е. электрическая деформация, сохраняется лишь только в изолирующей среде. В проводнике энергия, возникшая вследствие электрического смещения, почти моментально превращается в энергию тепловую. Таким образом, только изоляторы обладают "электрической упругостью". Таково основное положение теории Фарадея-Максвелла.

Так как уже не раз употреблялось выражение "количество Э.", то очевидно, что электричество подчинено измерению. О количестве Э. мы судим по тем действиям, какие оно вызывает. Так, количество Э. мы можем измерить по силе, с какой это количество действует на другое, нам известное, — по тому отклонению, какое испытывает магнит гальванометра, когда это количество Э. в виде кратковременного электрического тока пройдет через обмотку этого гальванометра, — по количеству разложенного электролита или выделившегося на электроде того или другого продукта этого разложения, произведенного прохождением через электролит измеряемого количества Э., — по количеству тепла, получающегося в проводниках, через которые прошло это количество Э. при разряде содержавшего его тела, и т. д. Мы можем, наконец, вычислить количество Э., заключающееся в каком-нибудь проводящем теле, если только определим электрический потенциал этого тела и будем знать его электроемкость, ибо между количеством Э. (Q) на проводящем теле, потенциалом (V) этого тела и электроемкостью (С) последнего существует зависимость: Q = СV. В настоящее время употребляются три различных единицы для измерения количества Э. Смотря по условиям вопроса, является более удобной та или другая из этих единиц. Эти единицы суть следующие:

1. Абсолютная электростатическая единица количества Э. в системе сантиметр-грамм-секунда. За такую единицу принимают то количество Э., которое, мысленно сосредоточенное в одной точке, действует на другое, равное ему, количество Э. и также сосредоточенное в одной точке, отстоящей от первой на расстоянии одного сантиметра, причем окружающей средой является воздух, с силой в один дин. "Размеры" или "измерения" основных единиц, т. е. единицы длины (L), массы (М) и времени (Т), соответствующие абсолютной электростатической единице количества Э. (Q е), суть в последовательном порядке: 3/2, 1/2 и —1, т. е., если мы скобками обозначим, что определяем "размеры" единиц, мы получаем

[Qe] = [L3/2M1/2T-1].

2. Абсолютная электромагнитная единица количества Э. в системе сантиметр-грамм-секунда. Такой единицей представляется то количество Э., которое проходит в одну секунду через поперечное сечение проводника, когда в этом проводнике существует электрический ток, сила которого равняется абсолютной электромагнитной единице силы тока в системе С. G. S. (см. Единицы, Электрический ток). Как показывают опытные исследования, прохождение абсолютной электромагнитной единицы количества Э. через раствор азотно-серебряной соли сопровождается выделением на катоде серебра в количестве 0,01118 гр. Размеры основных единиц, соответствующие абсолютной электромагнитной единице количества Э. (Qm), определяются по символическому выражению

[Qm] = [L1/2·M1/2·T-2].

3. Практическая единица количества Э., т. е. кулон. Кулон — то количество Э., которое при охлаждении через раствор азотно-серебряной соли выделяет на катоде 0,001118 гр. серебра. Итак, 1 кулон = 1/10 абсол. электромагнитной един. количества Э. Абсолютная электромагнитная единица количества Э. больше абсол. электрост. единицы в 3 x 10 10 раз. Точнее, отношение между этими двумя единицами выражается через

Qm/Q е = 3 x 1010 см/сек.,

т. е. это отношение равняется скорости света (см. Электромагнитная теория света). На основании исследований явлений электролиза, действий, производимых лучами ультрафиолетовыми, Беккерелевыми и Рентгеновыми, определена величина атома Э. (см. Электронная теория). Эта величина выражается через

e = 3,4 x 10-10 абс. электрост. ед.

= = 10-20 (приблизит.) абс. электромаг. ед.

= = 10-19 (приблизительно) кулона.

При допущении существования электричества вне материи. т. е. отдельно от нее, не представляется абсолютно необходимым принятие существования особой электрической субстанции. Возможно атом Э. рассматривать как очень малый объем, в котором заключающийся эфир находится в особом состоянии, т. е. возможно атом Э. принимать за центр особой деформации эфира, из которого в этом эфире расходятся во все стороны соответствующие возмущения. Такое воззрение на природу электронов проводит в своей теории Лоренц.

Согласно теории Максвелла, количество Э. Q, заключающееся в каком-нибудь теле, может быть выражено формулой

В этой формуле интеграл распространяется по любой замкнутой поверхности, окружающей собой данный заряд Q; F обозначает величину электрической силы, которую испытывала бы единица количества Э., находящаяся на элементе поверхности; ε — угол, который составляет с нормалью к элементу поверхности эта сила, и K — диэлектрический коэффициент среды, в которой находится элемент поверхности dS.

И. Боргман.

Электричество: а) актиноэлектричество, б) пьезоэлектричество, в) пироэлектричество — см. Электризация.

Термоэлектричество открыто в июле 1821 г. Зеебеком (Тh.-Joh. Seebeck, 1770—1831). Этим термином обозначают особый разряд электрических явлений, возникающих под действием теплоты так же, как и некоторые тепловые явления, возникающие под действием электрического тока. В обыкновенной своей форме термо-Э. обнаруживается в виде электрического тока, появляющегося в замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлических проводников, когда местам соприкосновения (или спаям) этих проводников сообщаются неодинаковые температуры; оно может, однако, возникать и в других проводниках (уголь, многие минералы), а также в жидкостях (растворы солей и кислот). Соединение двух проводников, спаянных на концах, причем этим спаям сообщены разные температуры, называется термоэлектрической парой; возникающая в ней электродвижущая сила по величине и направлению зависит от природы взятых проводников, а также от температур обоих спаев. Так, при разности температур спаев в 1° С. и при температуре более нагретого спая, равной 20° С., получаются, по наблюдениям Маттиссена, следующие термоэлектрические силы в парах из свинца в соединении с различными металлами:

Висмут +0,000089 Кобальт +0,000022 Ртуть +0,000000418 Свинец 0 Латунь —0,0000001 Медь —0,0000001 Платина —0,0000009 Золото —0,0000012 Серебро —0,0000030 Цинк —0,0000037 Мышьяк —0,00001336 Железо —0,00001715 Сурьма —0,0000226 Фосфор (красный) —0,0000297

Здесь электродвижущие силы выражены в практических единицах, т. е. в вольтах; знак + показывает, что электродвижущая сила направлена в более нагретом спае от соответственного металла к свинцу; знак — указывает на ее обратное направление. Для определения термоэлектрических сил в парах, составляемых переименованными металлами между собой, следует из числа, соответствующего металлу, расположенному выше, вычесть число нижестоящего металла; знак + покажет направление электродвижущей силы в нагретом спае от первого металла ко второму. Такой расчет основан на следующем законе Беккереля: если два металла отделены друг от друга одним или несколькими промежуточными металлами, имеющими постоянную температуру t, то термоэлектрическая сила, образующаяся в такой цепи, будет та же, как если бы металлы непосредственно касались друг друга и температура этого места соединения была бы равна t. Из этого закона и из указанного выше правила расчета термоэлектрических сил между металлами вытекает еще другой закон, а именно что термоэлектрическая сила какой-либо пары металлов М и N равна алгебраической сумме термоэлектрических сил в отдельных парах металлов M и A, A и B, B и C, C и N при тех же температурах спаев. Термоэлектрический ток может возникать в цепи, состоящей из проводников, разнородных не только в химическом, но и в физическом смысле. Так, термоэлектрические пары могут быть составлены из двух проводников одного и того же металла, если физические свойства одного из них каким-либо образом изменены (растяжение, сжатие, кручение, намагничение и пр.). Однако неравномерное распределение температуры в однородном во всех других отношениях проводнике не может, по наблюдениям Магнуса, служить источником термоэлектрического тока. При небольших разностях температур спаев термоэлектрических пар их электродвижущие силы можно считать, по наблюдениям Беккереля, пропорциональными этим разностям. Однако при больших разностях опыт показывает, что электродвижущая сила пары стремится к определенному максимуму, затем убывает до нуля и, наконец, переменяет свой знак. Такой ход термоэлектрической силы в зависимости от температур спаев выражается весьма точно следующей формулой Авенариуса, подтверждаемой теоретическими соображениями:

Отсюда видим, что

= 0, когда t1 + t2 = 2tn, и что

= мах., когда

= 0, т. е. при t2 = tn Температура tn называется температурой нейтральной точки. Напр. из опытов Авенариуса для пары медь — железо находим в условных единицах: b = 0,9653, е = —0,00175; отсюда tn = 275,8° C. Итак, в термоэлектрической паре медь — железо электродвижущая сила достигает максимума при температуре нагретого спая t2 = 275,8° С. и равна нулю — в предположении, что температура холодного спая равна 0° С. при температуре нагретого спая, равной 561,6° С. Полагая в формуле Авенариуса t2 = 0, t2= t и взявши производную по t, получаем:

dE/dt = ktn — kt = a + bt

(где положено ktn = а и k = b).

Такая функция называется термоэлектрической способностью данной пары. В нижеследующей таблице указаны термоэлектрические способности различных металлов относительно свинца, по наблюдениям Тэта:

Железо 1784 — 4,87 t Сталь 1139 — 3,28 " Сплав платины 95 % и иридия 5 % 622 — 0,55 " Сплав платины 90 % и иридия 10 % 596 — 1,34 " Сплав платины 85 % и иридия 15 % 709 — 0,63 " Магний 244 — 0,95 " Нейзильбер (до 175°) — 1207 — 5,12 " Кадмий (до 258°) 266 + 4,29 " Цинк (до 373°) 234 + 2,40 " Серебро 214 + 1,50 " Золота 283 + 1,02 " Медь 136 + 0,95 " Олово — 43 + 0,55 " Алюминий — 77 + 0,39 " Палладий — 625 — 3,59 " Никель (до 175°) — 2204 — 5,12"

В этой таблице термоэлектрические способности выражены в абсолютных единицах; чтобы перейти к практическим единицам и получить термоэлектрические силы в вольтах, нужно разделить числа на 10 8 Таблица справедлива для температур от —18° до 416°, за исключением нейзильбера, кадмия, цинка и никеля, для которых высшие пределы температуры отмечены отдельно в таблице. Знак + соответствует направлению тока от свинца к данному металлу. Из сравнения таблицы с формулой термоэлектрической способности видим, что числа первого столбца представляют собой значения коэффициента а, а числа второго столбца равны b. Подставляя эти числа в формулу Авенариуса, мы получим термоэлектрические силы пар, образованных из данных металлов и свинца, а зная их, можем найти по указанному выше закону Беккереля термоэлектрические силы пар различных металлов. Полная математическая теория термоэлектрических явлений дана лордом Кельвином (В. Томсон). В этой теории он рассматривает термоэлектрическую цепь как тепловую машину, в которой теплота, перетекая от теплого спая к холодному, частью превращается в работу, согласно первому и второму законам термодинамики, и вызывает электрический ток. Предполагая, что теплота превращается в энергию электрического тока только в местах спаев термоэлектрической цепи, из формул этой теории мы получаем закон Беккереля, устанавливающий пропорциональность между электродвижущей силой термоэлектрической пары и разностью температур ее спаев; предположение же, что связь между теплотой и Э. существует и вдоль проводников, по которым распространяется поток теплоты, приводит нас при наиболее простых предположениях относительно этой связи к формуле Авенариуса. Параллельно возникновению термоэлектрического тока при существовании разности температур в цепи разнородных проводников наблюдается и обратное явление, открытое Пельтье: нагревание и охлаждение спаев разнородных проводников при прохождении через них электрического тока; при этом распределение температур получается обратным тому, которое нужно создать, чтобы вызвать термоэлектрический ток того же направления. По наблюдениям Квинтуса-Ицилиуса, количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в спаях в определенное время, пропорционально силе проходящего тока. При одной и той же силе тока это количество зависит от температуры спая и термоэлектрической способности данной пары металлов по формуле, выведенной лордом Кельвином и подтвержденной опытами Бателли:

π = 1/ А · Т ·(dE/dT).

Здесь π есть теплота, соответствующая явлению Пельтье при прохождении электромагнитной единицы количества Э., А — механический эквивалент теплоты, Т — абсолютная температура спая, а (dE/dT) — термоэлектрическая способность данной пары металлов. Явление Пельтье можно рассматривать как перенос тепла электрическим током между спаями разнородных металлов. Лорд Кельвин (В. Томсон) открыл подобное же явление переноса тепла и в однородных, неравномерно нагретых проводниках. По наблюдениям Леру, такой перенос тепла (явление Томсона) происходит в металлах: сурьма, кадмий, цинк, медь, серебро, сплав (10 ч. висмута и 1 ч. сурьмы) по направлению тока, а в металлах: железо, висмут, нейзильбер, платина, алюминий и олово — в обратном направлении, причем скорость его пропорциональна силе тока. В свинце явление Томсона почти не наблюдается. Согласно теории лорда Кельвина, количество тепла σ, переносимое единицей количества Э. в каком-либо металле при падении температуры 1° С. на 1 см, выражается формулой:

σ = —1/ А · Т ·(d2E/dT2),

где а и Т имеют вышеуказанные значения, а (d2E/dT2) есть производная по температуре от термоэлектрической способности данного металла относительно свинца. Формула подтверждается опытами Бателли. Для объяснения явлений термоэлектричества с физической точки зрения существуют две разных гипотезы. Одна гипотеза, "контактная", сводит объяснение термоэлектрических сил к электризации при соприкосновении разнородных проводников, рассматривая ее как разность электродвижущих сил соприкосновения, являющуюся вследствие различных температур в местах контактов; однако наблюдения над зависимостью электризации при соприкосновении от температуры не дают численного совпадения этих разностей с наблюдаемыми термоэлектрическими силами. Другая гипотеза, предложенная Ф. Кольраушем, рассматривает термоэлектрические явления как результат существования связи между движением теплового потока, возникающего в проводнике при существовании разности температур на его концах, и движением электрического тока. Эта гипотеза объясняет одинаково удовлетворительно как возникновение термоэлектрического тока под влиянием тепловых потоков, распространяющихся проводником, составляющим термоэлектрическую пару, от теплого спая к холодному и вследствие различной природы этих проводников вызывающих в них различные электродвижущие силы, так и перенос теплоты под влиянием электрического тока в явлениях Пельтье и Томсона.

Термоэлектрические элементы и батареи. Термоэлектрическим током пользуются для практических целей в двух случаях: 1) в качестве весьма чувствительного и постоянного измерителя разности температур и 2) для получения наиболее простым способом электрической энергии насчет тепловой. В первом случае пользуются термоэлектрическим столбиком Меллони или пирометром Лешателье. Столбик Меллони, служащий для измерения, главным образом, лучистой теплоты, состоит обыкновенно из 50 брусков висмута и сурьмы около 4—5 см длины, соединенных между собой последовательно, причем висмут и сурьма чередуются друг с другом, и сложенных в призматическое тело так, что четные спаи приходятся на одной стороне его, а нечетные — на другой. Небольшой разности в температурах двух сторон этого столбика достаточно, чтобы вызвать в нем электрический ток, пропорциональный этой разности. Пиромометр Лешателье служит для измерения высоких температур; он состоит из двух проволок: платиновой и приготовленной из сплава родия и платины, которые помещаются внутри огнеупорной трубы и одними концами соединены между собой, а другими — с чувствительным гальванометром. Место соединения проволок между собой вводится в пространство высокой температуры, причем появляющийся ток измеряет разность между этой температурой и температурой окружающей среды. Пиромометром Лешателье можно измерять температуры до 1200° С. с точностью до 10°. Для получения сильных термоэлектрических токов, которыми можно было бы пользоваться для практических целей, выбирают пары, дающие наибольшую электродвижущую силу. К таким парам принадлежат: железо, никель, нейзильбер (или мельхиор), с одной стороны, и сплавы сурьмы и цинка — с другой. Наиболее употребительны термоэлектрические батареи Ное и Кламона; в обеих батареях источником теплоты служит пламя газовой горелки, причем по измерениям, произведенным над батареей Кламона, 1 куб. м светильного газа производит 9000 килограммометров работы в форме электрического тока, что дает для полезного действия этой батареи величину около 0,2 %. Вообще, полезное действие термоэлектрических батарей весьма невелико даже при самых благоприятных условиях, хотя, с точки зрения термодинамики, при тех высоких разностях температур, которые в них существуют, мы могли бы ожидать полезного действия не меньшего, чем для других тепловых машин. Это противоречие объясняется громадными потерями теплоты, происходящими вследствие перехода ее через теплопроводность металлических частей батареи от нагретых спаев к холодным. Условия для уменьшения этих потерь и составления наиболее экономической батареи следующие: 1) следует выбрать такую пару металлов или металлических сплавов, которые при данной разности температур дают наибольшую термоэлектрическую силу; 2) придать проводникам, входящим в состав пары, такие относительные размеры, чтобы они имели одинаковые сопротивления; абсолютные размеры пары не имеют никакого значения для полезного действия батареи; 3) составить из этих пар батарею таким образом, чтобы ее электрическое сопротивление было равно заданному сопротивлению внешней цепи. При соблюдении этих условий полезное действие батареи выражается приблизительно формулой:

P = (t2 — t1)·[b + c(t2 + t1)]/32000·A;

здесь P обозначает полезное действие, t2 и t1 — температуры спаев, b и c — коэффициенты в формуле Авенариуса, выраженные в абсолютных единицах, и А = 4,164·107 — механический эквивалент теплоты. Для наиболее сильной из возможных на практике батарей эта формула дает величину полезного действия не более 2—3 %.

Б. Розинг.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон

1890—1907