Zadanie 10.3 — Termodynamika · Matura 2015, poziom Rozszerzony

Matura 2015 • Maj • Rozszerzony • Stara formuła • Zad. 10.3

1 pkt

TermodynamikaPrąd elektryczny

Informacja do zadania:

Zjawisko Termoelektryczne odkryte w 1821 roku przez T. J. Seebecka polega na powstaniu napięcia w obwodzie złożonym z dwóch różnych metali, których złącza różnią się temperaturami (rysunek obok). Przez powierzchnię złącza swobodne elektrony przenikają z metalu o większej ich liczbie w jednostce objętości do metalu o liczbie mniejszej. W pierwszym metalu pojawia się niedobór elektronów, a w drugim – nadmiar. Efekt ten zależy od temperatury, dlatego jeśli jedno złącze pozostaje w innej temperaturze niż drugie, to w obwodzie powstaje napięcie (rzędu mV). To zjawisko znalazło współcześnie zastosowanie w budowie generatorów termoelektrycznych stosowanych do zasilania sond kosmicznych.

Schemat obwodu Seebecka

Napięcie termoelektryczne $U$ określone jest wzorem

$U = (S_{B} - S_{A}) \cdot (T_{1} - T_{2})$

gdzie $S_{B}$ i $S_{A}$ są współczynnikami Seebecka charakterystycznymi dla danych metali, a $T_{1}$ i $T_{2}$ – temperaturami złącz obu metali. Wartości współczynników Seebecka $S$ dla niektórych metali przedstawia poniższa tabela.

metal	glin	molibden	nikiel	ołów	pallad	platyna	wolfram	żelazo
$S, \frac{μ V}{K}$	+3,9	+12	-15	+4,4	-5	0	+8	+18,8

Na podstawie: H. Stöcker, Nowoczesne kompendium fizyki, Warszawa 2010.

Zadanie 10.3

Obwód opisany we wstępie do zadania można potraktować jako pojedyncze ogniwo (termoogniwo), które łączy się szeregowo lub równolegle w tzw. stosy termoelektryczne (termostosy). Przyjmijmy, że napięcie uzyskiwane z pojedynczego termoogniwa jest rzędu miliwoltów, a jego opór wewnętrzny – rzędu setnych części oma.

Zaznacz właściwe uzupełnienie poniższego zdania wybrane spośród A–C oraz uzasadnienie wybrane spośród 1–3.

Aby czerpać z termostosu prąd o natężeniu kilku amperów pod napięciem kilkudziesięciu woltów, należy termoogniwa połączyć

A.	tylko równolegle,	ponieważ	1.	potrzebne napięcie jest większe niż dla pojedynczej pary złącz.
B.	tylko szeregowo,		2.	potrzebne natężenie prądu jest większe od natężenia prądu możliwego do uzyskania z pojedynczej pary złącz.
C.	szeregowo i równolegle,		3.	potrzebne napięcie i natężenie prądu są większe od możliwych do uzyskania z pojedynczej pary złącz.