CHAPITRE XIV

THERMOÉLECTRICITÉ

130. Courants thermoélectriques. — Dans un circuit métallique dont les divers points sont à une même température, la somme des forces électromotrices est nulle et il n'existe aucun courant (96). Mais l'expérience montre qu'un courant se produit dès que Ton échauffe l'une des soudures. Cette découverte importante est due à Seebeck (1821).

Ainsi, considérons un circuit de deux métaux, cuivre et fer, par exemple, soudés en A et en B. La soudure B étant à la température atmosphérique t^, chauffons la soudure A à une température t^ ; un courant se produit qui va du cuivre au fer en passant par la soudure chaude. On dit que le cuivre est positifipeiY rapport au fer, le fer négatif par rapport au cuivre.

Dans la liste suivante chaque métal est positif par rapport à ceux qui suivent et négatif par rapport à ceux qui précèdent :

Bismuth

Manganèse

Or

Nickel

Argent

Zinc

Platiue

Etain

Fer

Palladium

Plomb

Arsenic

Cobalt

Cuivre

Antimoine

131. Phénomène de l'inversion. — Pour certains couples, le courant va en augmentant d'une manière continue, à mesure qu'on élève la température t^ de la soudure chaude ; mais c'est l'exception. Avec le couple cuivre-fer, par exemple, le courant atteint un maximum pour t^ = i^fi"" ; puis il décroît, devient nul et finalement change de sens, le cuivre devenant à son tour négatif pdiV rapport au fer. L'inversion a lieu à une .température variable qui dépasse autant la température du

THERMOÉLECTRICITÉ. 151

maximum que celle-ci dépasse la température de la soudure froide.

132. Loi des températures successives. — Pour un couple donné, la force électro7notrice obtenue en portant les soudures aux températures t^ et i^ est la somme des forces électro7notrices qu'on obtient en portant les soudures aux températures t^ et 6, et ensuite aux températures 6 eMg, 6 étant une température intermédiaire entre t^ et t^.

Cette loi peut se traduire de la manière suivante :

133. Loi des métaux intermédiaires. — Si deux métaux A e^ B sont séparés dans un circuit par un ou plusieurs métaux intermédiaires maintenus à une même température t, la force électromotrice est la même que si les deux métaux étaient unis directement et la soudure portée à la même température t.

Si on désigne par X le métal intermédiaire, la loi s'exprimera par l'équation

e'^(AB) = E^AX) + e|'(XB).

t^ ti H

De là plusieurs conséquences importantes : Dans un couple thermoélectrique il est indifférent que les deux métaux soient réunis directement ou par l'intermédiaire d'une soudure quelconque. Qu'on coupe le circuit en un point et qu'on réunisse les deux extrémités aux bornes d'un électromètre ou d'un galvanomètre, si les bornes de l'instrument et les diverses pièces en contact sont toutes à la même température que les deux extrémités du circuit, on n'introduit aucune force électromotrice nouvelle et les forces électromotrices mesurées sont bien celles du circuit primitif.

134. Piles thermoélectriques. — Les forces thermoélectriques sont toujours très faibles ; celle du couple bismuthantimoine, qui est une des plus considérables et que l'expé-

lo2 COURANTS ELECTRIQUES.

rience montre être, entre o et ioo°, sensiblement proportionnelle à la différence de température des deux soudures, est de o'',ooo o57 par degré. Comme la résistance de ces couples entièrement métalliques peut être rendue extrêmement faible,

ils peuvent néanmoins donner des courants intenses. Ainsi le couple bismuth-cuivre de la ûgure 109, chauffé à la soudure B par une lampe à alcool, fait dévier fortement une aiguille aimantée placée h l'intérieur.

Un nombre quelconque de couples peuvent être associés de manière à former une pile [fig. iio). La pile de Melloni, qui a rendu de si grands services dans l'étude de la chaleur rayonnante, est formée de petits barreaux d'antimoine «, a... alternant avec des bar-

Fig. iio.

Fii

reaux de bismuth b, b... et disposés de manière que toutes les soudures paires soient d'un côté et les soudures impaires de l'autre. On replie la chaîne sur elle-même, tout en laissant les couples isolés, de manière à lui donner la forme d'un parallélipipède rectangle {fig. m), les faces G et D étant celles qui correspondent aux soudures. Ces faces sont recou-

THERMOÉLECTRICITÉ. 153

vertes de noir de fumée et protégées par des écrans T et T'. Les deux pôles de la pile étant mis en communication avec

un galvanomètre, il suffit de faire tomber un flux de chaleur sur l'une des faces, pour que l'élévation de température produise un courant proportionnel au flux.

En réalité la pile de Melloni constitue un thermomètre diffférentiel très sensible. Nous citerons comme exemple l'emploi qui en a été fait par M. Leroux pour mesurer l'eff'et Thomson (113). Si on suppose les deux portions de la barre repliées de manière h être parallèles {fig. 112), on constatera la différence Fig. ii3.

des températures de deux points symétriques G G', en appliquant, comme le

montre la figure, les deux faces de la pile contre ces points.

La pile Glamond, qu'on utilise dans les laboratoires comme source d'électricité, est formée de couples dont l'un des éléments est un alliage de zinc et d'antimoine^ l'autre un alliage de nickel, de zinc et de cuivre et qui sont montés en série de manière à former une espèce de couronne [fig. ii3). Toutes les soudures d'ordre pair sont à l'intérieur et sont chauffées par une flamme de gaz ; toutes les soudures impaires sont à l'extérieur et présentent à l'air une grande surface de refroidissement ^

135. Pince et aiguilles thermoélectriques. — En disposant deux couples en série, comme le montre la figure 114,

on a la fince thermoélectrique de Peltier, qui permet de prendre la température d'un corps quelconque, celle par exemple que présente une barre telle que MN aux diff'érents points où l'on applique les soudures.

Dans V aiguille thermoélectrique de Becquerel [fig. 11 5) les

1. Nous citerons comme exemple une pile Clamond composée de 120 couples, présentant une force électromotrice de 8 volts et une résistance de 3,2 ohms, et par suite pouvant fournir un travail maximum disponible de 5 watts par seconde (113). Les couples peuvent être groupés de manière à satisfaire dans chaque cas aux conditions du maximum (112). La consommation de gaz est de 180 litres à l'heure.

En admettant que la combustion d'un litre de gaz donne 5,200 calories-gramme, la chaleur dépensée est de 260 calories par seconde qui correspondraient à un travail mécanique de 1084 watts. Le rendement est d'environ - — .

THERMOELECTRICITE. -155

deux couples sont opposés. La soudure A étant placée au point dont on veut mesurer la température, on met la soudure B dans un bain dont on fait varier la température jusqu'à ce que le courant soit nul. Les températures des deux soudures sont alors égales.

136. Théorie des phénomènes thermoélectriques. — L'existence des courants thermoélectriques montre évidemment que les forces électromotrices de contact de Volta'sont fonction de la température. Soient H^ et H2 leurs valeurs aux températures t^ de la soudure froide et t^ de la soudure chaude.

Si ces différences intervenaient seules dans la production du courant, la force électromotrice du couple aurait pour valeur Hg — H^. Pour chaque unité d'électricité mise en mouvement, le couple engendrerait un travail Hg h la soudure chaude, travail emprunté à la chaleur fournie à cette soudure et produirait, à la soudure froide, un travail H2 qui se dégagerait sous forme de chaleur, la différence étant dépensée le long du circuit en vertu de la loi de Joule.

Mais le phénomène de l'inversion montre que les forces électromotrices de contact ne peuvent être seules en jeu, puisqu'une fois l'inversion produite et le courant changé de sens, ce qui correspondrait simplement à un changement de signe de la différence H, — H^, on verrait la chaleur absorbée à la soudure froide et dégagée à la soudure chaude et, par suite, outre la chaleur dépensée dans le circuit, de la chaleur transportée d'un corps froid sur un corps chaud sans dépense équivalente, ce qui est en contradiction avec les lois fondamentales delà thermodynamique.

Les autres forces électromotrices qu'il faut faire intervenir sont les différences de potentiel résultant le long des conducteurs des variations de la température et auxquelles sont dus les effets Thomson (113).

Dans un conducteur homogène ces différences ont une résultante nulle : la variation de potentiel étant seulement fonction de la variation de température, la chute de potentiel

comme la chute de température est la même de part et d'autre du point chauffé. Mais il n'en est plus de même, si de part et d'autre de ce point la constitution du conducteur diffère; à une même chute de température, correspond une variation de potentiel qui peut différer non seulement par la grandeur, mais parle signe. C'est ce que mettent en évidence les expériences suivantes de Magnus.

Fig.

Un fil de cuivre est évidé au tour de manière à présenter des diamètres très inégaux {fig. ii6). En chauffant au point

g, on n'obtient aucun courant, le travail du tour n'ayant pas altéré l'homogénéité du

;^QmMïS

métal. — On tord en spirale

une partie d'un fîl de platine

[fig. ii'j) et on chauffe l'une

des extrémités de la spirale ;

on a un courant qui va du fil

Fig. 117. à la spirale par la soudure

chaude. La torsion a modifié

la structure du métal et l'expérience réussit moins bien avec

un métal s'écrouissant moins que le platine.

137. Représentation des phénomènes. — Deux procédés peuvent être employés pour représenter les phénomènes thermoélectriques.

Soit un couple formé de deux métaux A et X. L'une des soudures étant maintenue à 0° et l'autre portée à une température quelconque t, prenons comme abscisse {fig. 118) la valeur de t et comme ordonnée la force électromotrice observée : on obtient une courbe AX qui se confond avec une parabole à axe vertical.

THERMOÉLECTRICITÉ.

Si la soudure froide, au lieu d'être à la température o°, est à la température t^, la même courbe donne encore les forces électromotrices, à la condition de compter les ordonnées à partir de la ligne MM' menée parallèlement à l'axe des abscisses par le point M de la courbe qui correspond à la tem-

pérature t^. C'est la conséquence de la loi des températures successives (132).

Le point M' où la courbe rencontre la parallèle MM' à l'axe des abscisses donne la température à laquelle la force électromotrice change de signe et par suite la température d'inversion ^j. Cette température varie, comme on voit, avec celle de la soudure froide.

Au contraire la température t^ du maximum de force électromotrice est fixe. On voit de plus qu'elle est la moyenne des températures de la soudure froide et de la température d'inversion.

Soit BX la courbe correspondant au couple de deux métaux B et X; la différence MN des deux ordonnées représente, pour les températures o° et OP des deux soudures, la force électromotrice du couple formé par les deux métaux A et B. On a, en effet, en vertu de la loi des métaux intermédiaires