Вопросы для самоподготовки

- по базисным знаниям:

• понятие температуры

• температурные шкалы

• типы термометров

- по данной теме:

• внутренняя контактная разность потенциалов

• понятие термо Э.Д.С.

• устройство термопары

• чувствительность термопары

• устройство термобатареи

• методика градуировки термопары

• определение градуировочного коэффициента

• явление Пельтье

• применение термоэлектрических явлений в медицине

Краткая теория

Рассмотрим контакт двух металлов 1 и 2 с различной концентрацией свободных электронов n₁ и n₂ (рис.1).

После создания контакта начинается диффузия электронов из одного металла в другой. Так как концентрации электронов различны, то диффундирующие потоки из разных металлов будут неодинаковыми. Это приведёт к заряжению металлов противоположными зарядами и возникновению между ними внутренней контактной разности потенциалов U_i. При этом первый металл имеет больший потенциал относительно второго

1 + + +

– 2 – –

рис.1

Через некоторый промежуток времени между двумя металлами устанавливается динамическое равновесие. При динамическом равновесии потоки электронов в одном и другом направлении одинаковы и распределение свободных электронов в металлах будет подчиняться закону Больцмана. Запишем выражение для концентрации свободных электронов в первом и во втором металле:

где Е₁ и Е₂ - потенциальные энергии свободных электронов в металлах

k - постоянная Больцмана

Т - температура в градусах Кельвина

Запишем выражение для разности потенциальных энергий

Е₂ - Е₁ = еU_i

Где е - заряд электрона

U_i - внутренняя контактная разность потенциалов

Теперь найдем отношение концентраций электронов в металлах

(1)

Выразим из этой формулы внутреннюю контактную разность потенциалов. Для этого пропотенцируем выражение (1).

(2)

Как видно, U_i зависит ещё и от температуры контакта.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух металлов 1 и 2 (рис.2), концентрации свободных электронов в которых равны n₁ и n₂ .

2 2

U_iA U_iB

1

А В

Рис. 2 Схема подключения термопары

Контакты А и В металлов поддерживаются при температурах Т_А и Т_В соответственно. Примем ,.

Запишем выражение (2) для обоих контактов

; (3)

, так как

Вследствие этого в цепи, состоящей из двух разных металлов при разной температуре на контактах, возникает термоэлектродвижущая сила _n и это явление называется эффектом Зеебека. Оно имеет место и при контакте полупроводников. Существует также и обратный эффект. Он состоит в том, что в местах контакта проводников (полупроводников) происходит выделение или поглощение теплоты, при пропускании через контакты постоянного электрического тока и называется эффект Пельтье. Эффекты Зеебека и Пельтье - это наиболее важные эффекты в теории термоэлектричесва.

Так как термо ЭДС равна сумме скачков потенциалов в местах спаев, а они имеют противоположные знаки, то

(4)

Обозначив , получим

(5)

Устройство, показанное на рис.2, называется термопарой.

В медицине термопары используются для нахождения температуры отдельных органов и их частей при контактных и бесконтактных методах измерения. В последнем случае используется несколько термопар, включённых последовательно для увеличения термо Э.Д.С., и таким образом определяют мощность инфракрасного излучения участков тела.

С помощью термопары определяют только разность температур. При этом температуру второго спая, так называемого, холодного спая, поддерживают постоянной либо с помощью термостата, либо с помощью электрической схемы. Для измерения температуры термопару предварительно градуируют. Температуру участка тела определяют по рабочей формуле

t₁=t₀+kN(6).

Где Т₁ – температура рабочего спая

Т₀ – температура холодного спая, находящегося при Т=0⁰ С.

N - показания цифрового гальванометра(число делений)

К - коэффициент чувствительности термопары. Он показывает, насколько изменяется термо Э.Д.С. при изменении разности температур на 1⁰С или 1К и имеет размерность:

В / К=В / ⁰С.

Это основная характеристика термопары. Его величина зависит от типа металлов или полупроводников.

Протокол

Лабораторная работа