8 istoria fizicii

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: [email protected]

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


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


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


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


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


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


(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 (Germania, 1756) fenomenul de piroelectricitate (din greac pir - foc) n turmalin, un dielectric polar, (Na, Ca)(Mg, Fe, Li)3Al6[Si6O18] [BO3]3(OH)4 (U ~ 1-100 V) [4, 24, 25]. 5

5 Proprietatea cristalelor de turmalin de a atrage praf i obiecte uoare a fost observat pentru prima dat de ctre giuvaergii olandezi (1717), iar proprietatea similar la ceara roie de ctre lucrtorii potei [4,16,24].

Fig.12. G.V. Richman (1711 - 1753) (gravura lui I. Shenglin i E.E. Fedoseev de pe portretul unui pictor necunoscut din secolul XVIII (Ermitajul de Stat)) [22].

Fig.13. Moartea lui Richman n urma unei descrcari electrice atmosferice. Dup gravura Richmanns Todd, Germania, secolul XVIII.

82 Istoria fizicii


Discipolul lui Aepinus, J. Wilcke (fig.16), lucrnd n Suedia (1758), a cercetat din nou fenomenul de polarizare spontan (elektricitas spontanea) a termo-electreilor (sulful, ceara roie, rina) la solidificare (U ~ 0,1 10 V) i a intrat n istoria fizicii ca primul care a descoperit acest fenomen [26-28]. Instrumentele tiinifice folosite de Aepinus, care se deosebeau printr-o construcie bine gndit i minuios executat, sunt reprezentate n fig. 14 [24].6 n fig. 15 este reprezentat i coperta crii lui Aepinus despre turmalin [24], care i-a adus autorului un renume mondial.

Descoperirile piroelectricilor i termo-electreilor au avut o soart diferit. Descoperirea termo-electreilor de ctre Richmann (1746) i Wilcke (1758) s-a dovedit a fi prematur i a fost dat uitrii pentru mult timp [26]. Termo-electreii au fost redescoperii abia n 1922 de ctre M. Eguchi, care a reuit s sporeasc considerabil polarizarea P a rinilor prin solidificarea lor n cmpuri electrice nalte (pn la 10 kV) [2]. Descoperirea lui Aepinus, ns, s-a dovedit a fi una oportun i a avut o influen considerabil asupra dezvoltrii ulterioare a fizicii. Aepinus a reuit s atrag atenia savanilor asupra studiului legturii dintre 6 Portretele i arhiva personal ale lui Aepinus nu au fost gsite. Este posibil ca acestea s fi fost distruse din considerente de secretizare n legtur cu activitatea savantului n calitate de codificator n Colegiul afacerilor externe pe timpurile mprtesei Ecaterina II [24,25].

Fig.14. Instrumente tiinifice utilizate de Aepinus. a dispozitiv pentru cercetarea rinilor; b dispozitiv pentru cercetarea efectului piroelectric n turmalin; c suport pentru nclzirea cristalelor; d cristale de turmalin; e electrometru cu boz; f penset dielectric [24].

Fig.15. Cartea lui Aepinus despre turmalin, care a adus autorului un renume mondial [24].

Istoria fizicii 83


fenomenele termice i electrice. ncercarea cu focul a devenit un instrument obligatoriu pentru fiecare cercettor [14,16]. Turmalina (n traducere din singalez piatr magic multicolor) a devenit obiectul unui mare numr de lucrri tiinifice. n particular, nlocuirea aciunii termice prin aciunea mecanic i-a permis lui R. Gaui s descopere (1802) n turmalin fenomenul de piezoelectricitate [4]. Cutarea de noi piezoelectrici asemntori cu turmalina, au condus la descoperirea unui grup de cristale seignetto-electrice care posed proprieti piroelectrice la temperaturi mai joase de temperatura Curie (T < Tc) (P. i J. Curie, 1880), (F. Pockels, 1894) [11]. A fost descoperit, de asemenea, un ir de efecte TE care nsoesc transformrile de faz i reaciile chimice [4,14,16]. Un exemplu referitor la efectele de tipul nti este apariia sarcinii electrice negative (-) n vasul din care s-a evaporat apa prin fierbere (A. Lavoisier, P. Laplace i A. Volta 1778-1780) [14, 16]7. Un exemplu al efectelor de tipul al doilea este tensiunea termoelectric descoperit de ctre Volta (1784) n elementul galvanic (EG) (X = M/E/M, M = Fe, E electrolit avnd la baz apa) n experimentul cu broasca i srma de fier nclzit neuniform [22]. Prezena srmei de fier i diferena de temperatur T le-au permis unor autori s fac presupunerea c Volta n experimentul su ar fi descoperit fenomenul de termoelectricitate n metale naintea lui Seebeck [3, 4, 8, 30-3]8. 3. DESPRE PRIORITATEA LUI SEEBECK N DESCOPERIREA

TERMOELECTRICITII N METALE

M. Laue n cartea sa Istoria fizicii a remarcat o legitate unic pentru toate timpurile: Este suficient ca un cercettor s publice o nou descoperire esenial, pentru ca mai devreme sau mai trziu s apar persoane care i declar prioritatea lor sau prioritatea persoanelor tere [26]. Descoperirea lui Seebeck nu a fost o excepie de la aceast regul general. n calitate de pretendeni principali la descoperirea termoelectricitii, pe lng Volta [3, 4, 30-32], deseori sunt aduse i numele lui Aepinus [32], J. Ritter (fig. 17), Oersted, J. Fourier (fig. 18) i J. Schweigger (fig. 19) [17].

7 Se consider c sarcina negativ a suprafeei Pmntului i sarcina pozitiv a atmosferei este legat de efectul de evaporare a apei. 8 Aceast idee a fost enunat pentru prima dat de ctre M. Liozzi, care n cartea sa a acordat o atenie deosebit lucrrilor fizicienilor italieni, multe dintre descoperirile crora au fost pe nedrept uitate ([4], pag.263).

Fig.17. J. Ritter (1776 - 1810). Fig.18. J. Fourier (1768 - 1830).

84 Istoria fizicii


ntruct diverse efecte TE erau cunoscute omenirii nc din antichitatea ndeprtat, preteniile de descoperire a TE naintea lui Seebeck nu se pot referi dect la descoperirea TE n metale. Din aceast cauz candidatura lui Aepinus care a descoperit piroelectricitatea n dielectricii polari trebuie exclus din start (la fel ca i candidaturile lui Richmann i Wilcke care au descoperit termo-electreii). Candidatura lui Oersted ca primul care a descoperit TE n metale trebuie ,probabil, i ea exclus, deoarece nsui Oersted n publicaiile sale ntotdeauna sublinia prioritatea lui Seebeck n aceast descoperire [5, 6]. Descoperirea TE n metale de ctre Fourier [6] nu poate fi considerat, probabil, dect o descoperire concomitent cu Seebeck sau o descoperire repetat [19]. Problema prioritii lui Volta (1784) n descoperirea TE a fost examinat de noi mai nainte [33, 34]. n fig. 20 este reprezentat dependena valorii tensiunii U de timpul descoperirii efectelor TE de ctre Aepinus, Wilcke, Volta i Seebeck. Din aceast figur se vede c tensiunile termoelectrice U, observate n experimentele lui Aepinus, Wilcke i Seebeck satisfac regula empiric: efectul mai pronunat ca mrime este descoperit naintea celui mai slab (dependena 1, fig. 20). n experimentul lui Volta (1784) [29] ntr-adevr se nregistra tensiunea generat de efectul Seebeck de volum, distribuit n srma de fier U = T 0.7 1 mV ( ~ 10-15 mV/K, T 70 K) (punctul 4, fig. 20). Aceast tensiune era mai mic dect tensiunea determinat de efectul de contact 105 TU mV ( ~ 50 mV/K, T 100-200 K), observat de ctre Seebeck n termocuplul Bi/Sb (1821) (punctul 5, fig. 20), i astfel regula empiric a euristicii menionat mai sus nu se respecta (dependena II).

Fig.20. Tensiunea caracteristic U n raport cu timpul descoperirii efectelor TE. 1 piroefectul n turmalin; efectul termoelectretic n rini; 3 4 experiena lui Volta cu srma de fier (3 efectul galvanotermic EGTE n celula Fe/H2O/Fe; 4 efectul Seebeck de volum n srma de fier); 5 efectul Seebeck de contact n termocuplul Bi-Sb; 6 Broasca lui Galvani; 7 Aciunea curentului asupra acului magnetic descoperit de Oersted; 8 galvanometrul lui Schweigger. Pragul de sensibilitate al dispozitivelor de msurat: a electrometrul cu boz al lui Aepinus i electrometrul cu pai al lui Volta; b nervii broatei; c acul magnetic. Tendine euristice: I - normal; II - invers.

Istoria fizicii 85


Neconcordana trendurilor euristice (I i II, fig. 20) a dat posibilitate s se fac presupunerea c n experiena lui Volta [22] putea s acioneze o tensiune TE suplimentar mai mare, a crei natur era diferit de natura tensiunii termoelectrice din metale [34]. n [33,34] noi am reprodus experimentul [22] i am demonstrat c efectul observat de Volta este ntr-adevr unul complex (fig. 21).

Efectul total includea o tensiune mare galvano-termoelectric ( 114,0GTEU V) generat n celula Fe/H2O/F datorit dependenei potenialelor electrochimice ale electrozilor de temperatur (b, fig. 21) i o mic tensiune de semn opus, adugat de efectul Seebeck de volum din srma de fier ( 1sU mV). Cele dou tensiuni, precum i efectul rezultant GTEsGTE UUUU au fost msurate de noi separat dup schemele a-c din fig. 21 [33]. n acelai timp s-a constatat c tensiunea mic a efectului Seebeck din srma de fier (Us 1mV) nu putea fi msurat n mod principial de ctre Volta, dat fiind sensibilitatea de prag joas a nervilor broatei (~35 mV) (4, b, fig. 20) [33,34].

Astfel, Volta n experimentul su [22] a descoperit o clas important de efecte TE n EG. Mai trziu curenii termoelectrici n EG au fost observai i de ctre Ritter (a. 1798) i Snhneigger (a. 1840), care primii au stabilit natura electrochimic a acestor cureni [3, 4, 16]. Caracteristicile comparative ale efectelor TE ale lui Aepinus, Wilcke, Volta i Seebeck sunt reprezentate n tabelul 1. Toate efectele TE (tab. 1) au un caracter individual foarte pronunat i se deosebesc prin natura lor, tensiunea efectiv U, t.e.m. termoelectric diferenial , caracterul curenilor electrici I i al cmpurilor magnetice H care le nsoesc. Din tabelul 1 se observ c substituiile MTEA D (M/E/M) i D M/M n formula efectului Aepinus corespund trecerii formale de la piroelectrici i termo-electrei la TE n elemente galvanice (EG) i n metale (ES). n acest sens, Aepinus care a descoperit piroelectricitatea n turmalin poate fi considerat ca precursor al descoperirilor lui Volta i Seebeck (fig. 20) [17, 27, 33]. Efectele ionice i iono-electronice ale lui Aepinus, Wilcke i Volta au o valoare mai mare a tensiunii (tab. 2) i de aceea au fost descoperite n primul rnd (fig. 20). Efectul TE Seebeck este de natur esenial electronic i are o valoare mic a tensiunii (tab.1) [15]. Pentru descoperirea lui erau necesare aparate de msur sensibile. n figura 20 sunt indicate cu linii punctate estimrile noastre privind pragul de sensibilitate al aparatelor electrice de msurat, utilizate de cercettori n sec. XVIII i la nceputul sec. XIX [2, 4, 22, 24]. Din fig. 20 se vede c descoperirea ES a devenit posibil numai dup descoperirea de ctre Oersted a aciunii curentului electric asupra acului magnetic (1820) (4) [4], fapt care a dat posibilitatea de a mri considerabil sensibilitatea de prag a aparatelor electrice de msurat (Schweigger, 1820) [4]. Descoperirea lui Seebeck a fost fcut n decursul unui an dup descoperirea lui Oersted [7, 8, 5, fig. 20], fapt care atest o dezvoltare intens a electrofizicii n Europa n perioada istoric respectiv [4]9. 9 Aciunea curentului asupra acului magnetic a fost observat mai nainte i de ctre Romagnezi (1801), dar descoperirea lui a fost dat uitrii [4].

Fig.21. Tensiunile electrice efective n experienele lui Volta cu broasca i srma de fier [22] i metodele de msurare ale lor; (a) efectul lui Seebeck Us , distribuit n srma de fier; (b) efectul galvanotermic UGTE n celula Fe/H2O/Fe; (c) efectul total; 1 srma de fier; 2 electrolit pe baz de ap [33, 34].

86 Istoria fizicii


Tabelul 1 Caracteristicile comparative ale efectelor termoelectrice ale lui Aepnius, Wilcke, Volta i Seebeck

*) Efectul nu a putut fi descoperit de ctre Volta din cauza sensibilitii joase a nervilor broatei [33].

4. BAZELE TIINIFICE ALE DESCOPERIRII TERMO-ELECTRICITII N METALE 4. 1. PREDECESORII DIRECI AI LUI SEEBECK. n fig. 22 sunt reprezentate perioadele de via ale predecesorilor imediai ai lui Seebeck care, n opinia noastr, au puzele bazele descoperirii efectelor TE n metale [17]. n fig. 22 sunt indicate cu sgei momentele descoperirii diferitelor efecte TE de ctre cercettorii menionai. Din fig. 22 se vede c predecesorii lui Seebeck au pregtit bazele tiinifice necesar pentru descoperirea termoelectricitii n metale. Schema general de observare a fenomenelor TE a fost elaborat de ctre Aepinus cu referire la dielectrici (turmalin) (2, fig. 22) [24]. Trecerea de la dielectrici la conductoare n cercetarea TE a fost

Nr crt

Efectul, formula i caracteristicile

Cmpul termic

MTEA,

medii termoelectrice active

Voltajul

caracteristic i f.e.m.-termic

U, V (//, V/K)

Curentul electric, I

Cmpul magnetic, H

1 Piroelectric, Aepinus (1756) dTD P, U

(fizic, ionic, intensificat de tranziia de faz seignetto-

electric virtual )

Omogen D- dielectrici cristalini polari

1- 100 (104- 106)

Curent de scurt durat datorat

deplasrii ionilor

De scurt durat (la I 0)

2 Termoelectretic spontan, Wilcke (1758)

dT D P, U (fizic, ionic, intensificat de

tranziia de faz de topire )

Omogen D- dielectrici amorfi cu molecule polare

0.1- 10 (103- 105)

Curent de scurt durat datorat

orientrii dipolilor

De scurt durat (la I 0)

3 Experiena lui Volta (1784) a) galvanotermic

dT (/E/M) U, I (chimic, ionoelectric,

intensificat de reacia chimic M1);

b) efectul Seebeck de volum*)

dT () U, I (fizic, electronic)

Ne- omogen

Elementul galvanic

(Fe/E/Fe)

Metal (Fe)

~0.1 (103)

0.001 (10)

Cureni constani de ioni i electroni n

circuitul EG

Cmp constant al curentului de ioni i

electroni

4 Termoelectric al lui Seebeck (1821)

dT (/M) U, I (fizic, electronic, intensificat de

tranziia de faz /M)

Ne- omogen

Bimetale (Bi/ Cu)

~ 0.001- 0.01 (80)

Curent constant al electronilor

(contur nchis)

Cmp constant al curentului de

electroni

Istoria fizicii 87


realzat de ctre Galvani i Volta (4, 5, fig. 22) [22], precum i de ctre Ritter i Schweigger (6, 7) care au cercetat t.e.m. termoelectric n celulele electrochimice compuse din conductoare de spea I (metale) i electrolit lichid (conductor de spea II) [16,17]. nlturarea electrolitului din circuitul de msurat i formarea cuplului electric de metale au fost realizate de ctre Volta (1795) n experimentul su cu discurile metalice (Cu i Zn) (fig. 23) [4, 13]. n acest experiment Volta s-a apropiat foarte mult de descoperirea termoelectricitii n metale, ns nu a folosit posibilitatea de nclzire a componentelor [26, 27]. Volta a ncercat s pun apariia sarcinilor la unirea de scurt durat a discurilor cu o srm de cupru pe seama curentului generat de potenialele de contact diferite ale metalelor. Aceast ipotez a fost criticat aspru de ctre savani (Ritter, Schweigger, mai trziu de E. Warburg (1846-1931) .a.), deoarece se admitea posibilitatea polarizrii fr a cheltui energie (perpetuum mobile) [26]. Se considera c experimentul lui Volta (fig. 23), calificat de nsui autorul su ca fiind unul principal n viaa sa, nu este suficient de curat din punct de vedere experimental, iar polarizarea observat n experiment este cauzat de vaporii de ap care exist ntotdeauna n aer i oxideaz metalele n regiunea contactelor, formndu-se aa numitul element galvanic deschis [13, 26]. 4.2. ANTURAJUL TIINIFIC MAI APROPIAT Seebeck avea contacte tiinifice strnse cu Ritter,10 pe care l-a cunoscut n 1800 la cercul filozofic de la Jena [27]. Seebeck cunotea bine obiectul disputei tiinifice a lui Ritter cu Volta referitor la natura electricitii n elementele galvanice. Seebeck era de asemenea la 10 Ritter a descoperit oxidarea metalelor la contacte, fenomenul de electroliz, a construit primul element galvanic uscat i primul acumulator, a dezvoltat teoria chimic a electricitii, a demonstrat, c metalele sunt dispuse n irul tensiunilor lui Volta n aceeai ordine, n care ele se dezlocuiesc unele pe altele din soluiile de sruri, a descoperit razele ultraviolete . a. [4, 12, 17].

Fig.22. Perioadele de via ale cercettorilor, care au contribuit la descoperirea termoelectricitii n metale, 1 Richman; 2 Aepinus; e Wilcke; 4 Galvani; 5 Volta; 6 Ritter; 7 Schweigger; 8 Seebeck; 9 Oersted; 10 Fourier. Sgeile indic momentele descoperirii de ctre cercettori ale diferitelor efecte TE, menionate n aceast lucrare.

Fig.23. Experiena lui Volta cu discurile metalice (Cu - jos i Zn - sus) desprite prin dielectric. a discurile sunt legate printr-un conductor de cupru; b discurile se ndeprteaz unul de altul i electrometrul arat o sarcin pozitiv, obinut de ctre discul de cupru [13, 26].

88 Istoria fizicii


curent cu lucrrile principale ale lui Oersted, care era n relaii de prietenie cu Ritter i Seebeck [27]. Se poate considera c relaiile tiinifice strnse n triunghiul Ritter-Oersted-Seebeck iar mai apoi, dup moartea lui Ritter (1810), n tandemul Oersted-Seebeck au jucat un rol important n descoperirea fcut de Seebeck. Liderul triunghiului, Ritter a stabilit un nivel tiinific nalt i a determinat direciile de perspectiv ale lucrrilor tiinifice pentru ntregul grup de cercettori. Acest lucru s-a revelat n urmtorii ani ntr-un ir de descoperiri fcute de ctre Oersted11 i Seebeck [4, 17]. 4. 3. TRSTURILE CARACTERISTICE ALE LUI SEEBECK CA SAVANT Seebeck a studiat la universitile din Berlin i Goettingen. La Universitatea din Goettingen a obinut titlul de doctor (1802). A lucrat la Jena, iar n anii 20 la Berlin [12]. Era caracterizat ca un entuziast n tiin [27]. Lucrrile lui principale in de domeniul electricitii, magnetismului, opticii [17]. Pn la descoperirea termoelectricitii studia aciunea magnetic a curentului, magnetizarea mostrelor de fier i oel n apropierea conductoarelor parcurse de curent. Este primul care a utilizat pilitura de fier pentru a determina forma liniilor de for ale cmpului magnetic. A descoperit histerezisul n magnetizarea fierului12. A continuat lucrrile lui Ritter asupra polarizrii cromatice i distribuiei cldurii n spectrul optic al prismei. A descoperit proprietile optice de polarizare ale cristalelor de turmalin (1813). A redescoperit razele infraroii i polarizarea circular a luminii. Dup descoperirea TE n metale a construit un termocuplu i l-a folosit la msurarea temperaturii [17]. A descoperit dependena proprietilor termoelectrice ale materialelor de gradul de puritate, de condiiile de prelucrare i de coninutul procentual al diverselor componente n aliaje. A stabilit irul activitii termoelectrice a materialelor, care s-a dovedit a fi diferit de irul de tensiuni ale metalelor. A pus bazele studiului contemporan al materialelor termoelectrice. A ncercat s explice existena cmpului magnetic al Pmntului pe baza fenomenului de termoelectricitate descoperit de el [3, 17]. 5. ELEMENTE DE NTMPLARE N DESCOPERIREA LUI SEEBECK

Descoperirea termoelectricitii de ctre Seebeck a fost nsoit i de elemente de ntmplare [3, 7]. Exist dou versiuni privind motivul pentru care Seebeck a iniiat experimentul (fig. 2). Conform [2, 3], experimentul (fig. 2) a fost efectuat pentru a verifica n detaliu descoperirea lui Oersted (fig. 5). Conform [7, 35], Seebeck avea intenia s cerceteze posibilitatea obinerii curentului electric prin intermediul contactului dintre dou metale eterogene fr prezena vreunui lichid. ntr-un caz i n altul (fig. 2), obiectul iniial de studiu erau contactele Bi/Cu, deoarece n ele, dup Seebeck, trebuia s se manifeste proprietile electrice i magnetice ale circuituluii. n cazul contactului simplu dintre cele dou materiale Seebeck nu a observat vreun efect magnetic n circuit (fig. 2) [3]. Atunci el, intenionnd s mbunteasc contactul electric, a apsat cu mna arcul de cupru pe bismut i acul magnetic a deviat [3].

11 Oersted a dezvoltat ideea filozofic despre legtura reciproc dintre diversele fenomene ale naturii, n special, a relevat natura electromagnetic a luminii i posibilitatea de generare a electricitii cu ajutorul sunetului, a construit prima baterie termoelectric . a [4, 17]. 12 De aici i interesul sporit al lui Seebeck pentru cmpul magnetic al termocuplului [2].

Istoria fizicii 89


Noi am reprodus experimentul lui Seebeck dup schema din fig. 2 i am observat c pentru o deviere considerabil a acului magnetic la nclzirea jonciunii termocuplului Bi/Cu cu mna (T ~ 14 K), rezistena total a circuitului termoelectric R = Ri + RL (Ri i RL rezistena electric a blocului de bismut i respectiv a arcului de cupru) trebuie s fie suficient de mic [35, 36]. Pentru a forma un circuit cu rezistena interioar mic, noi am folosit o bar monocristalin de Bi000(masa m = 0,27 kg, nlimea h = 5 cm, = 24-32 mm, rezistena R = 0,0011 ), una sau apte spire de srma de cupru cu aria cadrului de ~20 x 60 mm2 ( = 2,5 mm) i un ac magnetic cu lungimea l = 33 mm (fig. 24a i 24b). La nclzirea contactului cu degetul operatorului s-a reuit s se obin devierea maxim a acului magnetic cu 70 n cazul cadrului cu o spir (fig. 24a) i cu 290 n cazul utilizrii multiplicatorului lui Schweigger (7x) (fig. 24b). n tabelul II sunt date caracteristicile comparative ale pieselor din instalaia lui Seebeck (fig. 2), estimate de noi pornind de la diametrul transversal al candelei d = 6 cm [35, 36]. Au fost obinute seciuni transversale mari i, respectiv, rezistene electrice mici ale conductoarelor din circuit (tab II). Potrivit estimrilor (tab. II), la nclzirea jonciunii Cu/Bi cu mna sau cu candela (T = 10 100 K) intensitatea curentului n circuitul termocuplului era I = 2,3 23 A i cmpul magnetic pe axa cadrului avea intensitatea H = 0,25 2,5 Oe, intensitate care determina o deviere considerabil a acului magnetic de la poziia sa iniial cu unghiul = 26 790 (tg = H/HP), dat fiind faptul c intensitatea cmpului magnetic al Pmntului n locul unde era efectuat experimentul (Jena) era HP = 0,5 Oe (estimarea a fost fcut fr a se ine cont de rezistena de contact a pieselor) [35]. Utilizarea de ctre Seebeck a unor piese att de masive i costisitoare nu poate fi explicat numai prin bunstarea binecunoscut a savantului [27]. Pe lng aceasta, n 1821 Seebeck nu putea s cunoasc legile descoperite mai trziu de G. Ohm (1826)13 i Lenz (1844), necesare pentru a calcula intensitatea curentului n circuitul electric [4, 17]. n [35, 36] noi am presupus c la efectuarea experimentului su (fig. 2) Seebeck a folosit n calitate de prototip schema instalaiei lui Volta (fig. 23) [13]. Seebeck a nlocuit electrometrul cu ac de pai al lui Volta (fig. 23) cu galvanometrul electromagnetic cu o singur spir, mai sensibil al lui Schweigger (circuitul cu ac magnetic, fig. 3a), iar n locul zincului care mereu se oxideaz a ales metale stabile n aer bismut i stibiu (fig. 3a i 3b) [2].

Tabelul 2 13 Ohm a reuit s-i argumenteze pe cale experimental legea sa, utiliznd o surs termoelectric de curent care asigur o tensiune mai stabil dect elementul galvanic.

Fig.24. Experienele pentru observarea efectului Seebeck n termocuplul Bi/Cu. Numrul de spire n contur: a 1; b 7. Unghiul de deviere a acului magnetic n grade: a 7; b 29. Jonciunea de lucru a termocuplului a fost nclzit de operator (~14 K) [35] .

(a) (b)

90 Istoria fizicii


Caracteristicile principale ale pieselor din instalaia lui Seebeck (Fig. 1) [35].

Piesa

Lungimea l, cm

Limea a, cm

Grosimea b, cm

Masa m, kg

Rezistena R, Ohm

T.e.m. termic , V/K

Plac (Bi) 30 7,2 1,5 3,17 0,0003 - 80 Arc (Cu) 45 3 0,6 0,79 0,00004 1,86

ncercnd s sporeasc suplimentar sensibilitatea schemei, Seebeck a folosit n instalaia sa un circuit cu rezistena joas (tab. II)14, precum i un ac magnetic sensibil de dimensiuni mari (fig. 2), fapt care a garantat n cele din urm succesul general al experimentului. 6. CONCLUZII

1. Fenomenul termoelectricitii este rspndit pe larg n natur i are un caracter universal. Multe efecte termoelectrice de natur diferit au fost observate de cercettori nc n antichitatea ndeprtat.

2. Specificul efectului termoelectric al lui Seebeck const n natura sa electronic i, respectiv, mrimea mic legat de degenerarea Fermi puternic a electronilor i golurilor n metale i semimetale.

3. Descoperirea efectului termoelectric n metale a fost pregtit de un ir de predecesori ai lui Seebeck. Ea coninea elemente de ntmplare i a devenit posibil numai datorit sporirii considerabile a pragului de sensibilitate al aparatelor de msur. MULUMIRE Autorii aduc mulumiri Bibliotecii tiinelor Naturale a Academiei de tiine a Rusiei pentru punerea la dispoziie a unor publicaii tiinifice rare. BIBLIOGRAFIE 1. Seebeck T.J. Magnetishe polarization der metalle und minerals // Abhandlungen der

Deutschen Akademie der Wissen schaften zur Berlin, 1825. 2. Seebeck T. J. Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur-

Differenz. Leipzig: Engelmann. 1895. 120 s. 3. .., .. . :

.1988. 290 . 4. . . .: . 1970. 464 . 5. Oersted H. Notiz von neuen elektrisch-magnetischen verfuchen // Ann.Phys.Chem.

1823. S.430-432. 6. Fourier J., Oersted H. Sur quelques nouvelles experiences thermoelectriques // Ann.

Chem. Phys. 1823., P.375-389. 7. . . [On line]: http://www.polkani.ru 8. .. 70- . .: .., : .

2007. 728 . 9. . . .. . .: . , .

., . 42. 1973. 14 Creterea unghiului de deviere a acului magnetic la mrirea seciunii transversale a conductoarelor care formeaz circuitul parcurs de curent a fost observat mai nainte de ctre Oersted n experimentul din fig. 5 [4, 7].

Istoria fizicii 91


10. .. . .: , 1983.. 207 . 11. .. //

. . 30: "". ., 1983. . 145 - 162. 12. . . .-.: , 1931. 328 . 13. .., .. . :

.1988. 288 . 14. . , , . . II III.

: . 2000. 464 . 15. . . .: . 1971. 472

. 16. . . .-.: . 1936. .2 .3 (.1). 488 . 17. .. . . .: . 1983. 400 . 18. .. -. .: , 1975, . 674. 19. .. : , , , 20. , 2003. 112 . [On line]: http://www.metodolog.ru. 21. .., .. - .

. - . : . 1980. . 19-23.

22. . , - . , . . . . . . .: - , 1956.

23. ., . . .., .: , 1937. .345-414.

24. .-. . .: . 1956. 712 . 25. Aepinus F. Recueil de differents memoires sur la Tourmaline. St. Petersburg. 1759.

reprint: Leningrag, Acad. Sci. USSR. 1951. P. 419- 445. 26. .. (1724 - 1802) //

. 1999. 4. [On line]: http://ru.wikipedia.org/ 27. . . .: . 1956. 232 . 28. Dictionary of Scientific Biography. New York: Charles Scribner. 1970. V.1, P.66-68. 29. Science in Sweden (1739- 1989). Ed. Tore Frangsmyr. Canton: Science History Publication.

(USA). 1989. 292 p. 30. . . . .: . 1978. 192 . 31. .. //

. 2004. 2. .5-10. 32. . //

. 2009. 1. .7- 10. 33. .. . .: - . 1948.

322 . [On line]: http://ru.wikibooks.org/). 34. .., .. ,

// . 2009. 1. . 11- 17.

35. Korzhuev M.A. The symmetry analysis and optimum conception for thermoelectric energy converters with non-uniform legs // Eurasian Phys. Tech. Journal. 2010. 1 (13). P.23- 36.

36. Korzhuev M.A., Katin I.V. On a way of discovery of thermoelectricity by Thomas J. Seebeck // Proceeding 8 th Europe Conf. on Thermoelectrics. Como. Italy. 22-24.09. 2010. P. 87-90. [On line]: http://www.centrovolta.org/ECT2010/.

92 Istoria fizicii


37. ., .. // . XII , , 23-24 2010. D- ROM. 6 [On line]: http://www.onlinereg.ru/thermoelectric

Traducere din limba rus de prof. univ. Anatolie I. Casian i conf. univ. Mircea C. Colpajiu

Redactare: Stefan D. Tiron Primit la redacie: 19 iunie 2012

ISTORIA DESCOPERIRII I FORMULRII LEGII CONSERVRII I TRANSFORMRII ENERGIEI (II)

(Continuare din FTM, 10, Nr. 1-2, 2012)

Conf. univ., dr. POPA MIHAIL Universitatea de Stat Alecu Russo Bli

e-mail: [email protected]

Rezumat. Primele formulri ale legii conservrii i transformrii energiei au fost propuse separat de ctre trei nvai: J.R. Mayer , J.P. Joule i H. Helmholtz. Termenul de energie cinetic a fost introdus pentru prima dat de W. Thomson, iar cel de energie potenial - de W. Rankine.

Elucidarea conceptului de energie i aparine fizicianului german Max Planck. n urma studierii spectrului de radiaie al corpului absolut negru, Planck a emis ipoteza cuantelor de energie.

O contribuie esenial la ntregirea conceptului de energie i aparine lui Albert Einstein care prin celebra formul 2mcE a enunat legea ineriei energiei.

La nivelul actual de cunotine i dezvoltare tehnologic, materia este caracterizat prin dou mrimi fundamentale, mas i energie. Masa este msura ineriei i gravitaiei, iar energia este msura micrii materiei.

Cuvinte cheie: formulare, lege, conservare, transformare, energie.

2.1. DETERMINAREA ECHIVALENTULUI MECANIC AL CLDURII I PRIMELE FORMULRI ALE LEGII CONSERVRII I TRANSFORMRII ENERGIEI

Dezvoltarea fizicii necesita recunoaterea ideii privind transformrile reciproce ale formelor de micare ale materiei i n acest fel treptat se pregtea terenul pentru descoperirea legii conservrii micrii. ns conceperea unei astfel de legi n oceanul de dovezi i fapte a fost un lucru destul de dificil. Pentu aceasta era nevoie de o abordare filozofic larg, scrupulozitate n cercetarea experimental i o analiz matematic critic a rezultatelor experimentale. Aa s-a ntmplat c aceste trei sarcini au fost distribuite celor trei nvai - Julius R. Mayer (1814-1878), James P. Joule (1818-1889) i Hermann Helmholtz (1821-1894).

n continuare, ne vom ocupa de evenimentele care au impulsionat descoperirea legii conservrii i transformrii energiei. Naturalistul i medicul german Julius R. Mayer a fost impresionat de un eveniment care s-a petrecut ntmpltor n timpul unei cltorii. n 1840, n calitate de medic de bord, a participat la o cltorie n Indonezia i n timpul staionrii pe insula Java a fost nevoit s recurg la o metod tradiional n acea perioad de tratatament

Istoria fizicii 93


flebotomia (secionarea unei vene pentru a colecta snge, a introduce o sond etc.). Mayer a observat c din vena deschis a bolnavului curgea snge de culoare aprins care semna mult cu sngele arterial. Medicii locali afirmau c culoarea stacojie a sngelui venos n condiiile climei calde este un fenomen normal. Culoarea nchis a sngelui venos fiind rezultatul proceselor de oxidare din organism, rezulta urmtoarea concluzie: cu ct diferena de temperatur dintre corp i mediul exterior este mai mic (adic este mai redus schimbul de cldur), cu att mai lent se produc procesele de oxidare n organism i mai puin oxigen se consum. De aici s-a tras concluzia c acest fenomen se ntmpl din cauza ncetinirii proceselor de ardere n esuturi, ceea ce determin un consum mai redus de oxigen. Acest fapt poate fi explicat prin necesitatea de a se degaja mai puin cldur pentru a se asigura o temperatur constant a corpului uman n condiiile unei temperaturi exterioare ridicate. Astfel, el a sesizat pentru prima oar o legtur ntre consumul de alimente, lucrul produs de organism i cldura degajat. Dac se micoreaz intensitatea unui proces, atunci scade i a celui de al doilea. Desigur, aceasta nc nu nsemna descoperirea unei legi, ns orienta gndirea ntr-o anumit direcie.

n anii 40 ai sec. XIX J. R. Mayer public un ir de lucrri n care dezvolt i concretizeaz tot mai mult ideile sale care n final au reprezentat coninutul legii conservrii i transformrii energiei. Care sunt aceste idei?

n primele sale lucrri fizicianul pornete de la convingerea sa filozofic precum c fenomenele naturii sunt n legtur strns i formeaz un set de cauze i efecte. Un fenomen, (cauz) dnd natere unui alt fenomen (efect), se autodistruge, ns nu fr urmri, ci trecnd n alt fenomen. De aici rezult c finalizarea unei micri (de exemplu, a micrii mecanice) nu nseamn dispariia ei total i fr urmri, ci transformarea ei n alte forme de micare (de exemplu, n micare termic). Trebuie de menionat c J. P. Mayer nc nu utiliza termenul de energie, ci termenul acceptat n acea perioad de for, ns aceast noiune nu reprezenta fora newtonian, ci aceea ce astzi se numete energie. Anume acesta este, n primul rnd, meritul acestui fizician.

El vorbea despre existena diferitelor forme de energie, menionnd energia mecanic 2mv , potenial (fora de cdere mgh), termic, electric i chimic. Mayer fcea o deosebire calitativ ntre aceste forme de energie, menionnd posibilitatea transformrilor lor reciproce i chiar aducea exemple concrete, respingnd astfel nvtura despre fluide. Ideea transformrii energiei era pentru prima dat susinut cu atta fermitate.

Vorbind despre transformrile de energie, Mayer meniona c fora (energia), modificndu-i forma se conserv cantitativ, adic cu ct se micoreaz un fel de micare, cu att crete un alt tip de micare. Fizicianul a formulat toate aceste concluzii pornind de la analiza materialului factologic cunoscut la acel timp. El a putut s interpreteze ntr-un mod nou datele existente la timpul su i, conducndu-se de ideea legturii reciproce i transformrilor reciproce ale fenomenelor fizice, s vad ceea ce nu au observat alii.

Cercetrile savantului au condus la urmtoarele concluzii: micarea, cldura i electricitatea reprezint fenomene care pot fi reduse la o singur for (energie), care se msoar una prin alta i trec una n alta dup anumite legi ([5], pag. 24) sau n realitate, exist doar o singur for (energie). ntr-un schimb continuu circul numai una singur, i n lumea moart i n cea vie.

Fig. 1.6. Julius Robert Mayer [4]

94 Istoria fizicii


i acolo, i aici, nu exist proces fr schimb de form a forei (energiei) ([5], pag. 24). Cu toate c aceste formulri sunt departe de formulrile contemporane, ele reprezint primele formulri ale legii conservrii i transformrii energiei.

Iulius Mayer nu s-a limitat ns doar la raionamentul teoretic. El printre primii a menionat ideea despre existena n procesele de transformare a energiei termice n energie mecanic a unui raport cantitativ dintre consumul de cldur i efectul mecanic (ceea ce numim astzi lucru mecanic. Transformarea micrii mecanice n una termic se caracterizeaz prin echivalentul mecanic al cldurii, iar Mayer printre primii a calculat valoarea acestui coeficient, obinnd valoarea de 3587 J/cal. (1 calorie = 4,1868 J n. red.). n 1842 Mayer public ntr-o revist mai puin cunoscut fizicienilor Annalen der Chemie o lucrare n care scrie: lucrul mecanic efectuat prin cderea unui corp cu masa de 1 kg de la nlimea de 365 m este echivalent cu cldura absorbit de 1 kg de ap pentru a se nclzi cu 10C. Deci 1 kcal = 365 kgm; 1 kgm = 9,8 J, rezult 1 kcal = 3587 J (Aici e folosit unitatea de for ieit din uz 1 kilogram-for = 9,8 N n. red.). Conform datelor actuale echivalentul mecanic al cldurii este 4185 J/cal, adic valoarea obinut de Mayer era cu 15% mai mic dect cea real. Eroarea relativ mare a determinrii se explic prin utilizarea de ctre R. Mayer a unor valori mai puin precise ale cldurilor specifice.

n 1845, Mayer a extins principiul transformrii i conservrii energiei i n alte domenii: magnetism, electricitate, chimie i biologie. El a descris transformrile energetice care au loc n lumea vie plecnd de la transformarea energiei solare de ctre plante care fiind consumare de animale reprezint sursa de energie ce asigur nclzirea corpului i capacitatea muchilor de a efectua lucru mecanic, fcnd astfel un mare pas n fundamentarea fiziologiei moderne. ntr-o lucrare publicat n 1848, Mayer face cunoscut relaia dintre cldurile molare ale gazelor la presiune i la volum constant, relaie care astzi i poart numele:

RCC VP , (4) n aceeai lucrare el a ajuns la concluzia corect c energia degajat de Soare nu poate fi produs n totalitate prin reacii chimice, a explicat c incandescena meteoriilor se datoreaz cldurii degajate ca urmare a frecrii cu aerul la intrarea n atmosfera Pmntului i a emis ipoteza incorect potrivit creia energia degajat de Soare s-ar explica prin cldura produs la cderea meteoriilor atrai de Soare. De asemenea, el a demonstrat c mareele produse de gravitaia Lunii frneaz micarea de rotaie a Pmntului, efect care astzi este cunoscut ca fiind un fapt real.

Lucrrile lui J.R. Mayer nu au fost apreciate la justa lor valoare de ctre contemporanii si, fapt explicabil n parte prin aceea c nu erau cunoscute pentru c erau publicate n reviste de circulaie restrns, dar i din cauz c nu erau nelese datorit folosirii unor termeni nepotrivii. Ca rezultat, au urmat dispute privind prioritatea tiinific a descoperirilor fcute. Savantul fiind nevoit s lupte aprig pentru ideile sale, a fost persecutat, a suportat njosiri i nenelegerea din partea familiei. Atmosfera creat n jurul su l conducea la suicid. Dup o noapte agitat el s-a aruncat pe fereastr, accidentndu-se grav (1850). Dup ce public din banii proprii cartea Observaii asupra echivalentului mecanic al cldurii, membrii familiei hotrsc s-l trimit

Fig. 1.7..James Prescott Joule (1818-1889)

Istoria fizicii 95


la o clinic de psihiatrie, unde se afl circa un an de zile. ns, n ciuda vicisitudinilor vieii el i pstreaz convingerile sale. Una din leciile sale se termina astfel: n perioada contemporan s-a dorit a se ridica consumul de mncare la principiul cu numele lupta pentru existen. O astfel de lupt, desigur, exist, ns nici foamea, nici rzboiul, nici invidia nu menin lumea, ea este meninut de dragoste.

Pe o alt cale spre legea conservrii i transformrii energiei a mers fizicianul i industriaul englez James Prescott Joule (1818 - 1889). El era un om foarte talentat, cu multe preocupri practice. Era preoocupat de ideea crerii dac nu a unui perpetuum mobile, atunci a unui motor cu randament maxim. El construiete un element galvanic cu care pornea un motor electric simplu. Deoarece zincul din baterie se consuma rapid era evident c s hrneti caii costa mult mai ieftin dect s schimbi zincul scump din baterie ([5], pag. 25). La acea vreme se discuta despre raportul cantitativ dintre lucrul obinut i energia consumat.

J. P. Joule a construit, de asemenea, un electromagnet pe care l-a experimentat i a observat nclzirea conductoarelor prin care circul curentul electric. Pe atunci exista prerea c n elementele galvanice folosite ca surse de curent au loc reacii chimice cu degajare de cldur i anume aceast cldur este transportat prin conductor, deci ea nu se nate n interiorul conductoarelor, ci n interiorul elementelor galvanice. Hotrt s verifice aceast idee, J. P. Joule realizeaz mai multe experiene utiliznd surse care genereaz curent de inducie i n care lipsesc reaciile chimice nsoite de efectul termic: o bobin de inducie conectat la un galvanometru fiind rotit n cmpul magnetic al electromagnetului, n bobin se ntea un curent de inducie. Experienele au artat c are loc nclzirea conductoarelor, iar despre cantitatea de cldur degajat se putea judeca dup nclzirea apei, n care se ddea drumul la bobina de inducie. Aceste experiene au artat c cantitatea de cldura degajat n conductorii parcuri de curent electric nu este creat de nii conductorii i nu depinde de modul de obinere a curentului electric. Lsnd curentul electric s circule un timp mai ndelungat, se putea obine o cantitate de cldur suficient de mare, ceea ce contrazicea teoria despre termogen. Ca rezultat al acestor experiene, J. P. Joule a msurat echivalentul mecanic al cldurii i a stabilit c cantitatea de cldur degajat de curentul electric din conductor este proporional cu ptratul intensitii curentului electric i rezistena conductorului. Aceeai concluzie a fost formulat cu civa ani mai nainte de academicianul Academiei de tiine din Petersburg H. Lenz.

Pe parcursul a circa 40 de ani, J. P. Joule efectueaz cele mai diverse experiene cu degajarea de cldur pe contul energiei mecanice i pe baza msurrilor calculeaz echivalentul mecanic al cldurii. Au fost efectuate peste 20 de variante ale acestor experiene i n toate cazurile s-au obinut valori apropiate ale raportului Q/L . Animat de aceast idee, chiar i n luna de miere petrecut n Elveia el msura nlimea cascadei i temperatura apei nainte de cdere i dup cdere pentru a estima i aici raportul dintre lucrul mecanic i cantitatea de cldur.

n 1849 Joule public descrierea unui experiment devenit apoi clasic (Fig. 1.8.). Ideea experimentului era simpl: greutile legate la capetele unui fir nfurat pe un cilindru vor determina, prin cdere, rotirea cilindrului. Pe axul cilindrului se afla un rotor cu palete (aripioare), introdus ntr-un

Fig. 1.8. Instalaia lui Joule pentru determinarea echivalentului mecanic al cldurii ([4], pag. 64).

96 Istoria fizicii


calorimetru cu ap. Rotirea apei era mpiedicat de barierele din calorimetru, iar n urma frecrii apei de bariere aceasta se nclzea. Cunoscnd masa apei i variaia temperaturii ei, se putea determina valoarea lui Q i L , iar apoi raportul Q/L . Pentru realizarea ideii experimentului era necesar luarea n considerare a multiplilor factori. Trebuie de menionat c energia potenial a greutilor se transform nu numai n energia intern a lichidului din calorimetru, ci i n energia cinetic a greutilor care ajung la podea. Pentru nclzirea semnificativ a apei, Joule a repetat experiena de coborre a greutilor de peste 20 de ori, dar de fiecare dat temperatura a crescut cu doar 0,5o. S-a folosit chiar i un termometru cu valoarea diviziunii de 1/20o. Cu scopul de a nregistra o nclzire mai mare a lichidului, experimentatorul a nlocuit apa cu untur de balen, apoi cu mercur, deoarece acestea aveau capaciti calorice mai mici. El a inut cont de energia cheltuit pentru nfurarea firului pe cilindru, de pierderile de cldur n calorimetru, a atenionat c masa de 1 kg n aer are alt mas n vid, c capacitatea caloric a apei se modific odat cu creterea temperaturii. Iar atunci cnd el a nlocuit aripioarele cu un disc de metal care se nclzea datorit frecrii cu un alt disc, s-a luat n considerare chiar i energia acustic a scrnetului discurilor. Pentru aceasta, el a angajat un violoncelist care trebuia s reproduc sunetul egal ca intensitate cu acela produs la frecarea discurilor i a msurat energia cheltuit de coarda violoncelului, obinnd o corecie de circa 1%n la rezultatele msurrilor. Mrimea Q/L a fost calculat ca media aritmetic a circa 35-40 de msurtori i J. P. Joule a obinut valoarea de 4155 J/kcal.

Dup o munc anevoioas de mai muli ani, J. P. Joule formuleaz legea conservrii i transformrii energiei astfel: Cldura, fora vie i atracia la distan (energia potenial) se transform reciproc una n alta i n aceast transformare nimic nu se pierde ([5], pag.26). Forele enorme ale naturii nu sunt destructibile i, n toate cazurile, cnd se cheltuie for mecanic, se obine cantitatea echivalent exact de cldur ([5], pag.26).

Ideea conservrii energiei nu avea o formulare strict matematic. Ea explica fenomenele cunoscute, dar nc nu avea puterea specific unei legi. Aceasta a fost fundamentat prin lucrrile fizicianului, matematicianului i filozofului german Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 1894).

H.L.F. Helmholtz a fost unul din savanii remarcabili ai secolului al XIX-lea. n lucrrile sale erau abordate problemele termodinamicii, hidrodinamicii, electrodinamicii, opticii, acusticii i psihologiei fiziologice. n 1847 el particip la edina Societii de Fizic de la Berlin cu comunicarea Despre conservarea forei care, dup spusele lui M. Planck, reprezint pentru totdeauna unul din cele mai remarcabile i moralizatoare monumente din istoria dezvoltrii legii conservrii energiei. Helmholtz a ajuns la ideile de conservare ocupndu-se de problemele fiziologiei, n care la acea perioad domina concepia despre fora de via. Pornind de la principiul imposibilitii unui perpetuum mobile, savantul respingea aceast concepie i punea ntrebarea: n ce raporturi trebuie s se afle diferitele tipuri de fore (energii), dac perpetuum mobile este imposibil?

Meritul deosebit al lui H.L.F. Helmholtz const n faptul c el a introdus noiunea de energie potenial (fora intens) i a exprimat aceast mrime pentru diferite tipuri de interaciuni. n calitate de idee iniial savantul a luat concepia despre imposibilitatea crerii micrii din nimic i a considerat c expresia acestei idei n form matematic reprezint conservarea sumei forelor vii (energiei cinetice) i a forelor intense (energiei poteniale), existent atunci cnd ntre corpurile sistemului acioneaz fore centrale, al cror lucru nu depinde de forma drumului.

Fig. 1.9. Hermann von Helmholtz [10]

Istoria fizicii 97


Deoarece, cum presupunea nvatul, toate fenomenele se pot reduce n final la micarea unui sistem de puncte materiale care interacioneaz prin intermediul forelor centrale, principiul conservrii energiilor cinetice i poteniale este aplicabil unui cerc larg de fenomene nemecanice, ca de exemplu, interaciunea sarcinilor electrice, propagarea i compunerea undelor, degajarea de cldur n reaciile chimice, inducia electromagnetic etc.

Rezult c, pornind de la legile lui Newton, H.L.F. Helmholtz pentru prima dat a formulat legea conservrii energiei pentru sistemele n care acioneaz numai fore conservative.

Formulnd sub form matematic descrierea energetic a mai multor fenomene, savantul a obinut relaiile deja cunoscute, precum i altele noi, a cror corectitudinea poate fi verificat experimental. El nu numai a formulat expresia matematic a legii conservrii, ci practic a extins aceast lege dincolo de limitele mecanicii, aplicnd-o n toate fenomenele naturii.

Astfel, legea conservrii i transformrii energiei i are originea n lucrrile celor trei mari nvai, fiecare din ei adugnd cte o latur la formularea acestei legi: cea filozofico-experimental este dat de J.R. Mayer, cea experimental de J.P. Joule i cea matematic de H.L.F. Helmholtz.

2.2. FUNDAMENTAREA NOIUNII DE ENERGIE I A LEGII CONSERVRII ENERGIEI N SECOLUL AL XIX-LEA

Ca rezultat al lucrrilor fizicianului britanic William Thomson (viitorul lord Kelvin) (1824-1907) i a inginerului britanic de origine scoian Wiliam Rankine (1820 - 1872), ieite de sub tipar n jumtatea a doua a secolului al XIX-lea, au fost formulate dou noiuni. W. Thomson introduce termenul de energie cinetic, iar Rankine pe cel de energie potenial. n anul 1853, W. Thomson nota: Numim energie a unui sistem material aflat ntr-o stare determinat, contribuia msurat n uniti de lucru a tuturor aciunilor produse n exteriorul sistemului, dac acesta trece (indiferent n ce mod) din starea sa ntr-o stare fixat arbitrar.

Clarificarea statutului conceptului de energie i aparine fizicianului german Max Planck. Dup acesta, prin energia unui corp se nelege o mrime care depinde de starea fizic instantanee n care se gsete sistemul. Pentru a putea exprima energia sistemului ntr-o stare dat printr-un numr bine determinat, trebuie fixat o anume stare normal (la 0C i presiune normal) a sistemului, fixare absolut arbitrar. Astfel, energia sistemului n starea dat, raportat la starea dat, este egal cu suma echivalenilor mecanici ai tuturor aciunilor produse n afara sistemului, cnd acesta trece ntr-un mod oarecare de la starea dat la starea normal. Prin echivalenii mecanici ai tuturor aciunilor se nelege lucrul mecanic n sens larg, adic lucrul forelor de toate tipurile i cldura multiplicat cu constanta universal.

Planck are i meritul de a fi emis ipoteza cuantelor de energie, n urma studierii spectrului de radiaie al corpului absolut negru. El presupune ca emisia de radiaii se datoreaz unor oscilatori microscopici, a cror energie este un multiplu ntreg al valorii , numita cuant de energie (h = 1,054 x 10-34 Js este constanta lui Planck, iar este pulsaia oscilatorului). Din acest moment n fizic s-a declanat revoluia cuantic.

n anul 1897, Max Planck scrie c energia este capacitatea unui sistem de a produce efecte exterioare. Pentru Planck, energia este o funcie de stare, prin energia unui corp (sau a unui sistem de corpuri) nelegndu-se o mrime care depinde de starea fizic instantanee n care se gsete sistemul. Planck subliniaz, de asemenea, faptul c variaia elementar a energiei este o diferenial total exact, adic variaia energiei depinde doar de starea iniial i de cea final. n acest fel s-au curmat toate discuiile privind natura energiei. Energia este o funcie de stare i nimic altceva.

n ceea ce privete cldura, acest termen a fost folosit ntr-un sens dublu: ca energie intern (Clausius) i ca mrime de proces n sensul de cldur transferat de la un corp la

98 Istoria fizicii


altul. Aceste accepiuni ale termenului de cldur trdeaz meninerea modelului de fluid, dar i extinderea acestui model asupra conceptului nou introdus de energie. De atunci au rmas n terminologia tehnic termeni cum ar fi pierderi de energie, stocare de energie, economie de energie i alte expresii care sugereaz existena unei materii imateriale distincte de sistemele fizice.

O contribuie eseniala referitoare la conceptul de energie a adus fizicianul german Albert Einstein (1879-1955) prin celebra formul

2mcE (5) enunnd legea ineriei energiei (E este energia, m masa, c = 3x108 m/s - viteza luminii in vid). Astfel, legea conservrii masei i legea conservrii i transformrii energiei nu mai sunt independente; masa unui corp este egala cu energia sa (in stare de repaus) imparit la ptratul vitezei luminii in vid.

La nivelul actual de dezvoltare a tiinei se consider c materia este caracterizat prin dou mrimi fundamentale: mas i energie. Masa este msura ineriei i gravitaiei, iar energia este msura micrii i interaciunii materiei. BIBLIOGRAFIE

1. Popescu, I.M., Fizica (I), Bucureti, Editura didactic i pedagogic, 1982, 654 p. 2. , .., , 1, , , 1977, 345 c. 3. , .., , , , 1982, 448 . 4. , .., , , ,

1978, 191. 5. , .., //

, 1983, N.5, . 22-26; 6. , .., (1) // :

. , 2002, Nr. 24, . 5-8; 7. , .., (2) // :

. , 2002, Nr. 31, . 1-4; 8. , ..,

// , 1985, N.2, . 66-68; 9. http://ro.wikipedia.org/wiki/.... 10. http://universulenergiei.europartes.eu Primit la redacie: 17 ianuarie 2012

Documents

8 istoria fizicii