Термоэлектрические явления. Измерение температуры с помощью термопар

Термоэлектрические явления можно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по разному растет с температурой. Если вдоль проводника существует перепад температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие скорости и энергии, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Этот процесс накопления будет продолжаться до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, и благодаря этому установится стационарное состояние. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает одну (объемную) составляющую термоЭДС.

Вторая (контактная) составляющая – следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Контактная разность потенциалов обусловлена различием работ выхода электронов и концентраций свободных электронов в металлах, приведенных в контакт. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то разность контактных потенциалов дает свой вклад в термоЭДС, который может быть сравним или даже больше объемной термоЭДС.

Еще один источник термоЭДС – эффект увлечения электронов фононами. Если в твердом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. При своем направленном движении фононы в результате столкновений с электронами будут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем – положительный) до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения; эта разность потенциалов и представляет дополнительную составляющую термоЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В металлах концентрация свободных электронов очень велика (10²² см^-3) и не зависит от температуры. Энергия и скорости электронов также почти не зависят от температуры. Поэтому термоЭДС "классических" металлов очень мала (несколько мкВ/К). Для полупроводников удельная термоЭДС имеет порядок 10²10³ мкВ/К.

В целом удельная термоЭДС  = _o + _к + _Ф, где _o  объемная составляющая термоЭДС, обусловленная преимущественной диффузией носителей тока в проводнике или полупроводнике от нагретого конца к холодному, _к - контактная составляющая термоЭДС, связанная с зависимостью химического потенциала от температуры, _Ф - фононная составляющая термоЭДС.

Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия температуры контактов между проводниками, называется термоэлементом, или термопарой. Применение термопар в качестве датчиков температуры основывается на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека, который состоит в возникновении ЭДС в цепи двух и более проводников из разных материалов, если их спаи находятся при различной температуре. Величина термоЭДС пропорциональна разности температур:  = Т.

В цепи, содержащей разного типа проводники и источник тока, возникает явление, обратное термоэлектрическому. Оно носит название эффекта Пельтье.

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека: при прохождении тока в цепи из различных проводников в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля-Ленца, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество тепла Q_П, пропорциональное силе тока, протекающего через контакт, и некоторому коэффициенту П (коэффициенту Пельтье), зависящему от природы находящихся в контакте материалов :

Q_П = ПIt (4)

Физическая сущность эффекта Пельтье заключается в следующем. Благодаря контактным разностям потенциалов в спаях создаются контактные электрические поля с напряженностями . Электроны в одном спае движутся против контактного поля, а в другом спае - по полю. Следовательно, в первом спае поле ускоряет электроны; их кинетическая энергия возрастает. При столкновениях с ионами металла в этом спае такие электроны передают ионам энергию, повышая внутреннюю энергию спая. Поэтому данный спай будет нагреваться. В другом спае поле тормозит электроны; их кинетическая энергия уменьшается. При столкновениях с ионами металла в этом спае такие электроны получают от ионов энергию, уменьшая внутреннюю энергию спая. Поэтому данный спай будет охлаждаться.

Очевидно, что при изменении направления тока на противоположное нагреваться будет второй спай, а охлаждаться - первый спай, так как теперь во втором спае электроны ускоряются, а в первом - тормозятся контактным электрическим полем.

Металлические термопары используются для измерения температур. С этой целью составляется цепь, изображенная на рис. 1. Один спай термопары, составленной из проводников 1 и 2, поддерживается при постоянной известной температуре (например, при температуре тающего льда). Второй спай помещается в среду, температура Т которой подлежит измерению. Зная коэффициент  данной термопары и измеряя милливольтметром термоэлектродвижущую силу, рассчитывают температуру по формуле

(5)

Рис. 1

Термоэлектрический термометр обладает существенными преимуществами перед другими термометрами. Он очень чувствителен, имеет малую тепловую инерцию, применим в широком диапазоне температур, позволяет измерять температуру малых объемов среды. Кроме того, он допускает дистанционные измерения, т. е. определение температуры объекта, расположенного на большом расстоянии от места измерения.

Для стабилизации температуры нерабочего спая чаще всего используют теплоизолированную ванну с тающим льдом. Точка таяния льда (273,16 К) удобна потому, что влияние различных факторов на ее температуру незначительно. Если в процессе градуировки поддерживается температура То свободных концов, а при эксплуатации — температура Т, то в показания термопары вносится поправка, прибавляемая к измеренной термоЭДС.

Для измерения температур до 1100°С применяют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур выше 1100 и до 1600^оС - термопары из благородных металлов платиновой группы, для измерения температур более 1600°С — различные термопары, изготовленные из жароупорных материалов.

Из числа термопар из неблагородных металлов наиболее часто применяются хромель—копелевые и хромель—алюмелевые термопары. Термопара ХА имеет практически линейную характеристику, а термопара ХК при значительно большей нелинейности развивает весьма высокую термоЭДС, чем и объясняется их широкое применение.

Из числа термопар из неблагородных материалов стандартными являются термопары, основные характеристики которых указаны в табл. 1.

Таблица 1

ТермоЭДС (в мВ на 100 ) Пределы температур (в )

Медь—копель ....... 4,75 350 - 500

Железо—копель . ..... 5,75 600 - 800

Хромель—копель ..... 6,90 600 - 800

Хромель—алюмель ...4,10 1100 - 1250