Термовольт и термоэлектрические эффекты¶

Термовольт — внесистемная единица измерения электрического напряжения (разности потенциалов), применяемая в физике полупроводников и термоэлектричестве для выражения величины термо-ЭДС. Один термовольт численно равен напряжению, возникающему при разности температур в один градус на концах термопары с удельной термо-ЭДС, равной одному вольту на кельвин, то есть фактически представляет собой вольт, делённый на кельвин (В/К). В научной литературе и справочниках термин используется редко и не входит в Международную систему единиц (СИ); чаще применяют прямое обозначение коэффициента Зеебека в микровольтах на кельвин (мкВ/К).

¶Происхождение понятия

Термин образован сложением греческого «термо» (тепло) и фамилии физика Алессандро Вольты, чьим именем названа единица напряжения. Понятие возникло в середине XX века, когда началось активное изучение полупроводниковых термоэлектрических материалов — теллуридов висмута, свинца, кремний-германиевых сплавов. Для удобства записи формул, описывающих эффект Зеебека, исследователи ввели коэффициент пропорциональности между разностью температур и возникающей ЭДС. Этот коэффициент, называемый коэффициентом термо-ЭДС или коэффициентом Зеебека, и стали выражать в термовольтах.

¶Физический смысл

Эффект Зеебека, открытый в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, состоит в возникновении электродвижущей силы в замкнутой цепи из разнородных проводников при наличии разности температур между спаями. Величина ЭДС описывается соотношением:

U = α · ΔT,

где U — напряжение, α — коэффициент термо-ЭДС (в термовольтах или вольтах на кельвин), ΔT — разность температур спаёв. Таким образом, один термовольт соответствует напряжению, которое возникает при перепаде температур в один кельвин, если коэффициент термо-ЭДС материала равен единице.

Для металлов коэффициент Зеебека составляет единицы микровольт на кельвин, для полупроводников — сотни микровольт на кельвин, что делает полупроводниковые материалы основой термоэлектрических преобразователей.

¶Классификация термоэлектрических материалов

По величине коэффициента термо-ЭДС и области применения материалы делят на группы:

Знак коэффициента зависит от типа проводимости: у электронных (n-типа) полупроводников он отрицателен, у дырочных (p-типа) — положителен. Это позволяет строить термоэлектрические батареи, последовательно соединяя ветви разного типа проводимости.

¶Применение

Практическое значение величины термо-ЭДС реализуется в нескольких направлениях.

Термометрия. Термопары — простейшие и наиболее распространённые датчики температуры в промышленности. Их градуировочные таблицы строятся именно на значениях коэффициента термо-ЭДС, выражаемых в микровольтах на градус.

Термоэлектрогенерация. Прямое преобразование тепла в электричество применяется в космических аппаратах (радиоизотопные термоэлектрические генераторы), в автономных источниках питания для удалённых объектов, в утилизации сбросного тепла промышленных установок.

Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье, обратный эффекту Зеебека, используется в компактных холодильниках, термостатах, охлаждении электронных компонентов. Эффективность устройств напрямую зависит от коэффициента термо-ЭДС используемых материалов.

Метрология. Эталонные термопары служат для воспроизведения и передачи температурной шкалы, а их характеристики описываются через значения термо-ЭДС.

¶Российские исследования

В России исследования термоэлектрических явлений велись с середины XX века в институтах Академии наук СССР. Значительный вклад внесли работы по физике полупроводников, развитые в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе, где изучались механизмы рассеяния носителей заряда и их влияние на коэффициент термо-ЭДС. Абрам Фёдорович Иоффе сформулировал ряд положений теории термоэлектричества и предложил использовать полупроводниковые материалы для термоэлектрогенераторов. Впоследствии эти работы продолжились в институтах Сибирского отделения РАН и в прикладных организациях, занимающихся термоэлектрическим приборостроением.

¶Соотношение с единицами СИ

Термовольт не является самостоятельной единицей СИ. Формально он тождественен вольту на кельвин (В/К), поскольку выражает приращение напряжения на единицу приращения температуры. В ГОСТ и международных стандартах для коэффициента термо-ЭДС принято использовать именно В/К или его дольные значения — мкВ/К. Термин «термовольт» встречается преимущественно в переводной и учебной литературе, а также в ранних работах по термоэлектричеству, где он применялся для краткости записи формул.

¶Ограничения и критика термина

Основной недостаток понятия — неоднозначность. В разных источниках термовольт трактуют либо как вольт на кельвин, либо как абсолютное значение ЭДС при фиксированной разности температур (например, при 100 К). Такая вариативность приводит к путанице при сопоставлении данных разных авторов. Кроме того, использование внесистемной единицы противоречит рекомендациям Международного бюро мер и весов, предписывающим выражать все физические величины через единицы СИ. По этим причинам в современной научной практике термин вытеснен однозначным обозначением В/К.

¶Значение

Понятие термовольта отражает фундаментальную связь между тепловыми и электрическими процессами в твёрдых телах. Несмотря на выход из активного употребления, оно сохраняется в историческом контексте и помогает понять логику ранних работ по термоэлектричеству. Практическая значимость самого явления — термо-ЭДС — остаётся высокой: на нём основаны температурные измерения, автономная энергетика и твердотельное охлаждение.

Источники: Иоффе А. Ф. «Полупроводники в современной физике»; справочник «Термоэлектрические свойства полупроводников»; ГОСТ 8.585-2001 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары»; материалы по истории термоэлектричества.