Istoria fizicii 75 ISTORIA DESCOPERIRII PRINCIPALELOR

  • Published on
    28-Jan-2017

  • View
    223

  • Download
    6

Embed Size (px)

Transcript

  • Istoria fizicii 75

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    ISTORIA DESCOPERIRII PRINCIPALELOR FENOMENE TERMOELECTRICE

    Michail A. KORZHUEV, Igor V. KATIN

    Institutul de Metalurgie i Studiu al Materialelor A.A Baikov

    al Academiei de tiine din Rusia, Laboratorul de Materiale Semiconductoare 119991, Moscova, Leninskii prospect 49, E-mail: korzhuev@ultra.imet.ac.ru

    Rezumat. Este prezentat o analiz euristic a descoperirii principalelor fenomene termoelectrice i fenomene nrudite n diverse materiale. Metoda de analiz include clasificarea fenomenelor dup natura lor i mrimea efectelor observate, dup timpul descoperirii i sensibilitatea instrumentelor de msur utilizate. Este examinat detaliat descoperirea piroelectricitii n turmalin (F. Aepinus, 1756), a polarizrii spontane a termoelectreilor (J. Wilcke, 1758), a t.e.m. termoelectrice a elementelor galvanice (A. Volta, 1784) i a t.e.m. termoelectrice a metalelor (Bi, Sb) (T. Seebeck, 1821). Se demonstreaz c n multe cazuri succesiunea descoperirii fenomenelor termoelectrice satisface cunoscuta regul empiric: efectul mai puternic ca mrime este descoperit naintea celui mai slab. Se discut problemele privind prioritatea descoperirii diverselor fenomene termoelectrice din vremurile strvechi pn la Seebeck. . . , . (. , 1756 .), - (. , 1758 .), -... (. , 1784 .) -... (Bi, Sb) (. , 1821 .). , . . INTRODUCERE n 1821 T. Seebeck (fig. 1) a observat apariia cmpului magnetic H n interiorul circuitului nchis al unui termocuplu Bi/Cu la nclzirea cu mna sau cu candela a uneia din jonciunile acestuia (fig. 2, 3) [1, 2]. Seebeck a denumit efectul descoperit de el termomagnetism prin analogie cu fenomenul electromagnetismului, descoperit cu un an nainte de ctre H. Oersted (fig. 4) n experimentul cu acul magnetic (fig. 5) [3, 4]. Aceast descoperire l-a impresionat pe Seebeck att de puternic, nct la nceput el a refuzat s o publice i a procedat la verificarea efectului sub toate aspectele [2]. n acelai timp Seebeck l-a informat n mod privat despre descoperirea pe Oersted care a repetat cercetrile i a demonstrat c acul magnetic deviaz sub aciunea cmpului magnetic H al curentului electric I, care apare n circuitul nchis al termocuplului ca urmare a nclzirii neuniforme a jonciunilor lui [5, 6]. Oersted a propus i o alt denumire, mai exact dup prerea sa, a efectului Seebeck (ES) termoelectricitate (TE) (n limba greac thermos nseamn fierbinte, iar electron - chihlimbar), care s-a ncetenit n fizic ca un termen de specialitate ce se

  • 76 Istoria fizicii

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    referea la nceput doar la o singur categorie de medii termoelectric active (MTEA) conductoare de spea I (metale i semimetale) (TE = ES) [4-5].1

    Cu timpul, noiunea fizic de TE s-a lrgit considerabil i s-a extins asupra fenomenelor nrudite cu ES (efectele J. Peltier, 1834, W. Thomson, 1856, K. Benedix, 1916 .a.) [3, 7, 8]. n calitate de conductoare de curent electric, pe lng metale i semimetale, au nceput s fie considerate, de asemenea, semiconductoarele solide i lichide, gazele (plasma), electroliii solizi i lichizi, conductoarele supraionice (conductoare de spea II), precum i metalele feromagnetice i dielectricii cu spinii ordonai .a. [9,10]. n prezent, noiunea fizic de

    1 Seebeck, folosind dreptul su de autor, pn la sfritul vieii numea termomagnetism fenomenul descoperit de el [3, 4].

    Fig.1. . Seebeck (1770- 1831) [7].

    Fig. 2. Instalaia lui Seebeck pentru observarea TE n metale (1821) 1-plac (Bi); 2- scoab (Cu); 3-lampad; 4- ac magnetic [7].

    Fig. 3. Schemele originale ale diferitelor experiene ale lui Seebeck pentru studierea fenomenelor termoelectrice n termocupluri (a - c). Ramurile termocuplurilor: K Cu; A Sb; B Bi; N i S nordul i sudul geografic; s-n acul magnetic [2].

  • Istoria fizicii 77

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    termoelectricitate cuprinde un grup de fenomene fizice cauzate de existena unei legturi ntre procesele termice i electrice n conductoarele de curent electric [9].

    Cu toate acestea, n virtutea tradiiei istorice, definiia fizic contemporan a TE [9] nu include n categoria fenomenelor TE procesele chimice nsoite de modificarea compoziiei (inclusiv n elementele galvanice), precum i procesele pur fizice, nrudite cu TE, care au loc n dielectricii polari piroelectrici i seignetto-electrici (efectele electretic, piroelectric i electrocaloric) [9, 11]. Pe de alt parte, n electrochimie termenul termoelectricitate, n virtutea aceleiai tradiii istorice, include toate procesele care au loc n conductoarele de spea I i II i la hotarele lor interfazice [12]. n obiectele biologice, unde rolul de MTEA l au membranele celulelor, natura efectelor TE poate s se complice considerabil i s includ reacia sistemului nervos central i al celui periferic ale organismului la aciunile termice [13].

    Totodat, prin etimologia sa termenul TE are o interpretare i mai larg [7]. n sensul su larg, noiunea de TE include totalitatea tuturor fenomenelor naturale din diverse medii n care diferena de temperatur T genereaz n proba X polarizarea electric P, tensiunea U i curentul I, precum i toate efectele inverse (dac acestea exist), cnd aciunile electrice duc la variaia temperaturii mostrei: IUPXT , . (1)

    Relaia (1) reflect natura universal a fenomenelor TE, legat de caracterul universal al legilor conservrii sarcinilor electrice i a energiei [7,14]. Caracterul universal al legturii dintre fenomenele termice i electrice a fost relevat pentru prima dat de ctre A. Volta, care considera c electricitatea se manifest pretutindeni n natur, la ardere, la vaporizare, la contactul dintre dou corpuri eterogene etc. [14].

    Scopul prezentei lucrrii este analiza euristic a descoperirii principalelor fenomene termoelectrice din vremurile strvechi pn la Seebeck. La baza lucrrii este pus interpretarea extins a fenomenului de termoelectricitate (1), care permite considerarea tuturor fenomenelor TE n ansamblu, precum i compararea diverselor efecte TE cercetnd particularitile reaciei electrice a MTEA la aciunile termice.

    Fig. 5. Schema experienei lui Oersted demonstrnd abaterea acului magnetic n apropierea unui conductor cu curent (1820). Fig. 4. H.Ch. Oersted (1777 - 1851)

  • 78 Istoria fizicii

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    1.CARACTERUL UNIVERSAL AL FENOMENELOR TERMOELECTRICE

    Fenomenele termoelectrice (TE) pot fi legate de aciunile termice asupra surselor de electricitate existente, sau asupra unui mediu iniial neutru din punct de vedere electric. n primul caz tensiunile TE efective sunt determinate de tensiunea U a sursei de electricitate, iar aciunea termic joac rolul unui mecanism de declanare a procesului, care asigur redistribuirea sarcinii electrice n sistem. n acest caz, energia electric We degajat n sistem, poate s depeasc considerabil energia aciunii termice WT (randamentul efectiv

    1/ Te WW ). n al doilea caz are loc transformarea direct a energiei termice n energie electric (

    1 ) i ia natere tensiunea termoelectric TU care este determinat de diferena de temperatur T i de t.e.m. termoelectric diferenial a mediului. Conform principiului de universalitate a fenomenelor TE, toate mediile fizice posed o activitate termoelectric care variaz n limite largi n funcie de compoziia de faz a mediului i de condiiile exterioare (temperatur, presiune etc.). Cea mai mare activitate TE este caracteristic pentru dielectricii polari (piroelectrici, seignetto-electrici, termo-electrei) [11], precum i pentru conductoarele ionice i electronice. Valoarea t.e.m. termoelectrice difereniale a mediului poate fi estimat aplicnd legile conservrii sarcinii electrice i a energiei. Egalnd creterea energiei electrice a purttorului de sarcin (eU) cu variaia corespunztoare a energiei lui termice (C T ), obinem relaia fundamental: eCTU /~/ (2) care exprim legtura dintre fenomenele electrice i termice n MTEA (aici C este cldura specific a purttorilor de sarcin, e este sarcina electric) [15]. Substituind n (1) cldura specific a ionilor 03~ kCi (aici T > TD, k0 este constanta lui Boltzmann, TD temperatura Debye) sau a electronilor: 0

    20 /TkCe (degenerare Fermi puternic) ori Ce ~ 3k0/2 (cazul

    nedegenerat), obinem valorile caracteristice ale t.e.m. termoelectrice difereniale 26,0~i mV/K pentru efectele TE ionice i 13,0~e mV/K i 0,01 mV/K pentru efectele TE electronice n cazul nedegenerat i respectiv degenerat, valori care sunt n concordan cu experimentul [10,15]. n cazul tranziiilor de faz i n reaciile chimice capacitatea caloric C a mediului poate s creasc considerabil (anomaliile ale capacitii calorice n tranziiile de faz de spea II, anomaliile ale capacitii calorice n tranziiile de faz de spea I i reaciile chimice), fapt care duce la amplificarea corespunztoare a efectelor TE pe seama fenomenelor critice. n prezent este cunoscut un mare numr de efecte TE de natur diferit, multe dintre care au fost descoperite nc n antichitatea ndeprtat [4,16,17]. 2. TERMOELECTRICITATEA DESCOPERIT PN LA SEEBECK 2.1. Abordarea euristic n analiza descoperirilor. n conformitate cu principiile de baz ale euristicii contemporane (din greac heuristico caut, descopr), procesul de descoperire a noilor fenomene fizice este ntotdeauna unul complex i conine elemente cu caracter ntmpltor [18]. Cu toate acestea, alte condiii fiind egale, descoperirile se fac, de obicei, n primul rnd cu ajutorul obiectelor i materialelor celor mai cunoscute, accesibile, atrgtoare i nevtmtoare pentru cercettori. De regul, primele sunt descoperite efectele mai simple sau, alte condiii fiind egale, efectele

  • Istoria fizicii 79

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    care sunt mai pronunate [19, 20]. Succesiunea descoperirii principalelor efecte TE confirm, n general, legitile empirice menionate mai sus. Primele efecte TE simple au fost descoperite nc n anticitatea ndeprtat i erau legate de aciunile termice asupra surselor de electricitate cunoscute. Mai trziu, n secolele XVII-XVIII au fost descoperite efecte TE mai complicate care au loc n MTEA iniial neutre din punct de vedere electric. n multe cazuri succesiunea descoperirii efectelor termoelectrice n MTEA satisfcea cunoscuta regul empiric: efectul mai pronunat ca mrime este descoperit naintea celui mai slab. Respectiv, efectele TE ionice mai pronunate ca mrime au fost descoperite naintea celor electronice mai slabe. Printre efectele TE ionice, n primul rnd au fost descoperite efectele amplificate de reaciile chimice i fenomenele critice. 2.2. EFECTELE ACIUNII TERMICE ASUPRA SURSELOR DE ELECTRICITATE. Din timpurile strvechi i pn la nceputul secolului XVII n Europa erau cunoscute trei surse de electricitate chihlimbarul frecat cu ln (Thales Miletus, 625-545 .Hr.), cu U~1-10 V, (fig. 6), petii electrici (calcane, ipari, Egiptul antic) cu U ~ 103 V i atmosfera, U ~ 106V [4, 12, 16].2 Metodele principale de cercetare tiinific n aceast perioad erau observarea vizual, probarea prin pipit, ncercarea cu ap i foc [4,14,16]. n timpul ncercrii cu foc a fost descoperit primul dintre efectele TE cunoscutele extragerea sarcinii electrice de pe chihlimbar cu ajutorul flcrii [4].3 Acest efect a fost descris pentru prima dat de ctre W. Gilbert (1600, fig. 8) n monografia sa (fig. 9) [21].

    Prioritatea descoperirii acestui efect i se atribuie i lui Thales Miletus, primul dintre europeni care a aflat de la fenicieni i egipteni despre proprietile electrice ale chihlimbarului [4, 16 21].4

    2 Analiza noastr se refer la istoria dezvoltrii tiinei n Europa. 3Etimologia termenului termoelectricitatepoate fi interpretat i ca nclzirea chihlimbarului 4nformaiile sunt luate din surse bibliografice secundare. Originalele manuscriselor lui Thales Miletus nu s-au pstrat.

    Fig. 6. Thales Miletus (~ 625 545 .H.), primul care, posibil, a descoperit proprietile conductive ale flcrii.

    Fig. 7. Flacra deschis unul dintre primele instrumente utilizate pentru studierea efectelor termoelectrice.

  • 80 Istoria fizicii

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    Din timpuri strvechi se tia de asemenea c cu ajutorul cldurii se poate provoca

    descrcarea petilor electrici (F. Redi a. 1666) [13,22]. Mai trziu L. Galvani (1773, fig. 10), apoi i Volta (fig.11) utilizau pe scar larg aciunea termic pentru excitarea electricitii animalice n nervii broatelor (atingerea cu mna i cu obiecte nclzite, introducerea broatelor n ap fierbinte etc.) [22].

    Era cunoscut de asemenea i aciunea flcrii asupra electricitii atmosferice (incendiile naturale, focurile parafulger ale anticilor, B. Franklin, 1753) [4, 14]. Volta

    Fig.8. W. Gilbert (1544 - 1603). Fig. 9. Cartea lui Gilbert, cu prima meniune scris despre efectul nlturrii sarcinilor electrice de pe chihlimbar cu ajutorul flcrii [21].

  • Istoria fizicii 81

    FIZICA I TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 3-4, 2012

    (1757), dezvoltnd lucrrile lui Franklin, colecta sarcini electrice atmosferice cu ajutorul unei tije metalice conductoare, avnd la capt fixat o lumnare aprins (fig.7) [14]. Academicianul Richman din Petersburg (fig. 12) care fcea cercetri la frontiera dintre electrofizic i termofizic a fost, probabil, unul dintre primii cercettori care a reuit s transfere sarcina electric de pe dielectric pe metal cu ajutorul flcrii [23]. El scria: Iunie, ziua a 30-a (1746). Cu o lumnare aprins am trecut electricitatea de la electrofor n mas, din mas n candelabru, din candelabru n flacr, din flacr n placa de fier ... [23]. Richmann a fost, de asemenea, probabil primul cercettor care a descris polarizarea electric spontan a termo-electreilor la solidificare: Iunie, ziua a 25-a (1746). Eu topeam corpuri care dup rcire i solidificare, fiind protejate de umezeala aerului, au electricitate care se pstreaz un timp ndelungat (de exemplu, n decursul unui an) (sulful obinuit, ceara roie, rina sau saczul) ([23], p. 244). Richmann a murit tragic la 26 iulie (6 august) 1753 n urma unei descrcri de electricitate atmosferic, apropiindu-se la distana de aproximativ 30 cm de aparatul de msurat indicatorul electric care nu era legat la pmnt (fig.13). Una dintre cauzele probabile ale tragicului accident a putut fi strpungerea aerului rece provocat de respiraia cald i umed a cercettorului [23]. 2.3. EFECTELE N MTEA, INIIAL NEUTRE DIN PUNCT DE VEDERE ELECTRIC Succesor al lui G. V. Richmann la postul de conductor al cabinetului de fizic al Academiei de tiine din Petersburg, la recomandarea lui L. Euler, a devenit n 1757 F. Aepinus, cel care cu un an nainte a descoperit (G...