Термоэлектрическое измерительное преобразование

Термоэлектрическое измерительное преобразование основано на использовании термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в возникновении тсрмоЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлсктродов) при различных температурах их спаев.

Термоэлектрическое измерительное преобразование основано на использовании термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в возникновении термоЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлсктродов) при различных температурах их спаев.

Рис. 8.6. Термоэлектрическая цепь

Возникновение термоЭДС во в замкнутой электрической цепи из двух проводников а и b (рис. 8.6) при различных температурах 0) и 0₂ их соединений (спаев) объясняется суммарным действием двух термоэлектрических эффектов: явления Томсона и явления Зеебека.

Явление, открытое в 1856 году английским физиком У. Томсоном, заключается в установлении на концах проводника, имеющего температурный градиент (рис. 8.7), некоторой разности потенциалов е,(А0). Для случая однородного проводника величина ЭДС е,(Д0) прямопроиорциональна разности температур ДО = 0₂ — 0:

где i, — коэффициент Томсона для данного материала проводника.

Рис. 8.7. Возникновение в проводнике ЭДС Томсона при разной температуре.

его концов: 0 < 6

Причиной возникновения ЭДС Томсона является диффузия электронов от более нагретого конца к холодному.

Сущность явления, открытого в 1821 году немецким физиком Т. Зеебеком, заключается в возникновении в месте контакта двух разнородных проводников (рис. 8.8) ЭДС е₃(0), являющейся функцией темпе;

Рис. 8.8. Возникновение ЭДС Зеебека в месте контакта двух разнородных проводников: п_аЬ < п_Ьа

ратуры контакта 0. В первом приближении контактная ЭДС Зеебека прямо пропорциональна температуре контакта:

где vj/₃ — коэффициент, зависящий от сочетания контактирующих материалов.

В малом диапазоне изменения температуры можно считать, что i_s практически нс зависит от температуры. В широком же диапазоне изменения температуры следует учитывать некоторую нелинейность зависимости (8.29).

Возникновение контактной ЭДС объясняется различной энергией выхода электронов для различных материалов. В случае если энергия выхода электронов из материала проводника а больше энергии выхода электронов из материала проводника Ь, число электронов п_аь, перешедших из а в Ь, будет меньше числа электронов щ,_а, перешедших из b в а. В результате проводник а приобретет отрицательный потенциал относительно проводника Ь.

Впервые эффект появления ЭДС при контакте разнородных металлов был открыт в 1792 году итальянским физиком А. Вольта. Ряд металлов, в котором впереди стоящий приобретает положительный потенциал по отношению к последующему, получил название ряда Вольта:

(+) A1 Zn Sn Cd Pb Sb Bi Hg Fe Сталь Cu Ag Au V Pt Pd (-). (8.30) Суммарная термоЭДС в электрической цепи, рис. 8.6, равна сумме всех возникающих в ней ЭДС:

где е_та(Д9) и е_|Л(Д0) — ЭДС Томсона, возникающие, соответственно, в проводниках а и 6; е₃(9,) и е,(Д0₂) — ЭДС Зеебека, возникающие, соответственно, в первом и втором спаях. Знаки слагаемых учитывают различные направления ЭДС.

При малых разностях температур спаев можно принять, что термоЭДС е_в прямо пропорциональна разности температур:

где к — коэффициент термоЭДС (удельная термоЭДС), различный для разных сочетаний металлов.

В широком диапазоне разностей температур коэффициент термоЭДС описывается уравнением второго порядка:

где к₀, к, к₂ — коэффициенты, зависящие от сочетания контактирующих металлов.

В табл. 8.2 приведены ориентировочные значения коэффициента тсрмоЭДС для некоторых металлов по отношению к свинцу.

Таблица 8.2.

Значения к для ряда металлов по отношению к РЬ.

Термоэлектрическое измерительное преобразование может быть использовано нс только для преобразования температуры в электрический сигнал, но и для получения информации о химическом составе контактирующих металлов (в этом случае должна быть известна разность температур спаев).

Включение в электрическую цепь, рис. 8.6, дополнительных проводников при условии равенства температур их концов не вызывает изменения суммарной термоЭДС е₀. Это дает возможность включения в электрическую цепь измерителя ЭДС без внесения искажения получаемой измерительной информации.

Термоэлектрическое измерительное преобразование является обратимым в том смысле, что если через электрическую цепь из двух разнородных проводников или полупроводников пропустить электрический ток, то тепло будет выделяться в одном спае и поглощаться в другом. Это явление открыто в 1834 году французским физиком Ж. Пельтье и носит его имя.

Количество выделяемой либо поглощаемой теплоты Q" прямо пропорционально силе протекающего тока I:

где Р — коэффициент Пельтье, равный Р = 9 Да. Здесь 9 — абсолютная температура; Да — разность термоэлектрических коэффициентов проводников.

Эффект Пельтье объясняется тем, что средняя энергия носителей тока в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии. В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором случае поглощается теплота (теплота Пельтье). В частности, энергия свободных электронов полупроводника значительно выше энергии свободных электронов металла. Поэтому при переходе электронов из полупроводника в металл электроны отдают свою избыточную энергию и спай нагревается. При противоположном направлении тока из металла в полупроводник требуемая для такого перехода энергия пополняется за счет энергии тепловых колебаний решетки и спай охлаждается. Исходным источником энергии в обоих случаях является источник электрического тока.