D. K. S. Makdonald. Termoelektrik hodisalar negiziga kirish

1.1. Kirish
Elektr oʼtkazgichlarning xossalarini oʼrganishning ikki yoʼli bor: oʼtkazgichga elektr maydoni, temperaturalar gradienti yoki ikkovini bir yoʼla taʼsir qildirib, qanday hodisa yuz berishini kuzatishimiz mumkin. Аgar faqat elektr maydonini taʼsir qildirsak, natijada elektr toki hosil boʼladi va tok zichligining elektr maydoniga nisbati (temperatura gradienti boʼlmaganda) materialning elektr oʼtkazuvchanligini (σ) beradi. Ikkinchi tomondan, tempuratura gradienti taʼsirida hosil boʼladigan issiqlik oqimini (elektr toki yoʼq boʼlganda) oʼlchashimiz mumkin (materialni har tomondan izolyatsiya qilib); bunda issiqlik oqimining temperatura gradientiga nisbati materialning issiqlik oʼtkazuvchanligini (κ) beradi. Bu ikkala tushuncha oʼzaro juda yaqin boʼlib, umuman olganda ularning qay biri (σ) (κ) qoʼlimizdagi materialning asosiy xossasi ekanligini ajratish qiyin emasga oʼxshab koʼrinadi. Shunga koʼra (σ) va (κ) ni oʼlchash uchun eksperimental qurilma yaratish mumkin, masalan, mis, kumush yoki natriyning elektr va issiqlik oʼtkazuvchanligini aniqlay olamiz.
Eksperimental nuqtai nazardan elektr oʼtkazuvchanlik deyarli yuz yil mobaynida va yaqin kunlargacha juda koʼp oʼrganib kelingan. Juda past temperaturalarda (1 K – suyuq geliy 4,2Kda qaynaydi) oʼtkazilgan tajribalar elektr oʼtkazuvchanlik va oʼtkazgichlarning xossalarining koʼp jihatlarini tushunishimizda oʼta sermahsul boʼldi. Issiqlik oʼtkazuvchanlikka qiziqish avvaliga unchalik kuchli boʼlmagan (qisman uni oʼlchash birmuncha qiyin boʼlgani sabab), ammo oxirigi yigirma yil ichida keskin kuchaydi. Ustiga ustak, izolyatorlar uchun issiqlik oʼtkazuvchanlik oʼlchanadigan foydali va sermaʼlumot xossa boʼlib qolmoqda, shu bilan birga, albatta har qanday ideal izolyatorda issiqlik oʼtkazuvchanlik nolga teng boʼladi.



1-расм. Асосий термоэлектрик занжир. (а)Ёпиқ занжир. Агар 1 ва 2 турли хил ўтказгичлар бўлса, умумий ҳолда термоэлектрик ток ҳосил бўлади. (б) Очиқ занжир. Агар 1 ва 2 турли хил ўтказгичлар бўлса, термоэлектрик потенциаллар фарқи пайдо бўлади ва у температуралар фарқи ∆Т га пропорционал (∆Т/Т«1 бўлганда) . ∆V₁₂ Расмда кўрсатилган қутбланишида ва ∆Т>0 бўлганда S₁>S₂.
Аммо бунда учинчи термоэлетрик ҳодиса ҳам борки, унга (жуда бўлмаганда) яқин вақтларгача кам эътибор берилди.
Бу – термоэлектрик ҳодисалардир. Электр майдонисиз ўтказгичга температуралар фарқи таъсир қилганда унда нафақат энергия оқими
(моҳият бўйича-иссиқлик оқими), агар занжир ёпиқ бўлса электр токи ҳам вужудга келади. Бу ток термоэлектрик ток деб аталади. Аммо электр токини кузатиш учун ёпиқ занжир бўлиши лозим. Агар бир жинсли ўтказгичдан симметрик занжир ясалса ўз-ўзидан тушинарлики (1а-расм), ундан ўтувчи ток бўлмайди. 1а-расмга қараб айтиш мумкинки, занжирнинг температуралар градиентини белгиловчи Т1 ва Т2 температуралар оралиғидаги “ёйлари” бир хил ва шу сабабдан бир-бирининг таъсирини йўқ қилади (компенцация). Термоэлектрик ҳодисани кузатиш учун аслида иккита ҳар хил материаллар ёки икки хил ҳолатдаги битта материал, масалан механик таъсир остида талаб қилинади ва биз уларни термоэлектрик ҳоссалари орасидаги фарқни тўлалигича ўлчай олмаймиз.
Термоэлектрик токни кузатиш учун иккита ҳар хил материалдан иборат занжир ишлатиш лозимлиги илгари вақтларда жуда кўп англашилмовчиликларга ва янглиш тушунишларга олиб келди. Шу сабабдан қатъиян айтиш лозимки, ўтказгичларнинг термоэлектрик хоссалари юқорида кўрсатилган электр ва иссиқлик ўтказувчанликлари каби, умумий нуқтаи назардан ўтказгич ҳажмига хос хусусиятдир. Бунда шундай савол туғилади: мадомики термоэлектрик токни кузатиш учун камида иккита ҳар хил материаллардан иборат занжир бўлиши керак экан, қандай қилиб берилган айрим ўтказгичнинг индивидуал (ўзига хос ёки абсолют) термоэлектрик хоссаларни ажрата оламиз?
Маълум бўлдики (буни биз кейинроқ кўрсатамиз), моҳияти бўйича ягона ўтказгичнинг абсолют термоэлектрик хоссаларини Томьсон иссиқлиги деб аталадиган катталикни ўлчаш орқали аниқлашимиз мумкин. Бундан ташқари, яна бир жуда фойдали факт бор: ўтиш температурасидан пастда (яъни ўта ўтказгич ҳолатида ўта ўтказгичдан) термоэлектрик ҳодисалар юз бермайди. Бу хулосани ўта ўтказгичнинг энг умумий модели орқали назарий асослаш мумкин, аммо ҳозирча уни аниқ тажриба натижаси деб қабул қилиш маъқулроқ. Демак, агар бир тармоғи бизни қизиқтираётган ўтказгичдан, иккинчи тармоғи ўтиш температурасидан пастда бўлган ўта ўтказгичдан иборат занжир ясасак, бизни қизиқтираётгган ўтказгичнинг термоэлектрик хоссаларини бевосита ўлчашимиз мумкин. Бу бевосита усул табиий равишда ўта ўтказувчанлик пайдо бўладиган температуралар оралиғи билан чекланади. Ҳозирги кунда маълум бўлган энг юқори ўтиш температурасига (18ºК га яқин) эга ўта ўтказгич Nb3SN қотишмасидир. Катта температураларда ишлаш учун ўта ўтказгич материаллар содда (кўпинча) ўтиш температураси 7ºК арофида бўлган Pb дан фойдаланишади, чунки ундан сим тайёрлаш ва ишлов бериш осон. Pb икки томонлама қулай Pb да абсолют термоэлектрик шкала Томсон эффекти асосида 400ºК гача аниқланган (унинг эркин температураси 327ºС). Бу ишни биринчи марта Бурелиус ва хамкасблари (Borelius, 1935) 1931 йилда, кейинроқ Пирсон ва ҳамкасблари (Piearson and Templton, 1955, Christian et al. 1958) қўрғошиннинг абсолют термоэлектрик шкаласининг иссиқлигини 20ºК дан пастда ўрганишди. Бундан келиб чиқадики, занжирнинг иккинчи тармоғини қўрғошиндан ясаб ҳар қандай ўтказгичнинг абсолют термоэлектрик хоссаларини ўлчашимиз мумкин. Кейин ўлчаш натижаларидан қўрғошиннинг хиссасини чиқариб ташласак бизни қизиқтираётган материални термоэлектрик хоссаларига эга бўламиз.