Кондауров АТ-11. Эффект Зеебека
Эффект Зеебека – явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.
Термоэлектрические явления – это совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Они объясняются тем, что процессы переноса заряда ( электрического тока) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока – электронов и дырок.
Другими словами, термоэлектричество – это явление прямого преобразования теплоты в электричество в твёрдых или жидких проводниках.
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или , а ее ветви термопарой – термоэлетродами.
М1 и М2 – два различных проводника(полупроводника).
А и В – контакты.
При различной температуре контактов, в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термо-тока.
Величина термо-эдс зависит только от температур горячего(T1) и холодного(T2) контактов и от материала проводников.
Математическое описание
,
Где – удельная термоЭДС,
– разность температур между спаями.
В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.
Технические реализации эффекта
Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара — термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.
На рисунках показаны схемы включения термопары в измерительную цепь:
а) измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1;
б) измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; ТА и ТВ — температуры соответственно «горячего» и «холодного» контактов термопары.
Типичная схема включения термоэлектрического датчика с термостатированным контактов
Типичная схема включения термоэлектрического датчика с с нетермостатированным «холостым» контактом
При измерении температуры один из контактов обычно термостатируется (обычно при 273 К — с помощью тающего льда).
Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от гелиевых, до нескольких тысяч градусов.
В зависимости от назначения термопары бывают: стационарные и переносные, с влагонепроницаемой, взрывобезопасной, герметичной оболочкой и без нее, виброустойчивые и другие.
Применение термопар
Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.
В 1920 х —30 х годах термопары использовались для питания детекторных приемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т.п) с использованием открытого огня.
Преимущества термопар
- Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С)
- Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 2500 °C
- Простота
- Дешевизна
- Надежность
Недостатки
- Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
- Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
- На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
Применение эффекта С помощью явления Зеебека, помимо температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: силы переменного тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д. Для увеличения чувствительности термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи . При этом, все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные — при другой. ЭДС такой батареи равна сумме термоэдс отдельных элементов. Миниатюрные термобатареи (так называемые термостолбики) с успехом применяют для измерения интенсивности света (как видимого, так и невидимого). В соединении с чувствительным гальванометром они обладают огромной чувствительностью: обнаруживают, например, тепловое излучение человеческой руки. Термобатарея представляет интерес и как генератор электрического тока. Однако использование металлических термоэлементов неэффективно, поэтому для преобразования тепловой энергии в электрическую используются полупроводниковые материалы. Контрольные вопросы:
- Как по-другому называют Эффект Зеебека? ( Термоэлектрический эффект)
- Как называю цепь, которая состоит только из двух различных проводников? (термопара)
- От чего зависит величина термо-эдс? ( От материала проводников и от разности температур)
- Термопары из какого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры? (Вольфрам-рениевый)
- Назовите несколько преимуществ термопар? ( простота, дешевизна, надёжность, высокая точность измерений, высокий температурный диапазон)
Задачи Для решения задач нам понадобится таблица, в которой приведены значения “α” , некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур от 0 0 С до 200 0 С (Положительный знак “α” приписан тем металлам, к которым течёт ток через нагретый спай).
Металл | α, мкВ/К |
Платина | -4,4 |
Олово | -0,2 |
Серебро | +2,7 |
Медь | +3,2 |
Сурьма | +4,3 |
1. Найти эдс термопары (Олово-Свинец), если известно, что T1 и Т2 равны соответственно 78 0 С и 9 0 С. Решение: Для начала переведем градусы в кельвины (78 0 С = 78+273= 351К, 9 0 С =9 + 273 = 282К).Воспользуемся формулой так как нам известны все составляющие, найдем ЭДС: Е = -0,2мкВ/К * (282К – 351К) = 352*10 -6 = 352мкВ. 2. Найти разность температур термопары (Сурьма – свинец), если известно что, термо-эдс(Е) = -0,00001В, а коэффициент термо-эдс(α) = 4,3мкВ/К. Решение: (Т2-Т1) = Е/α = (-10мкВ)/(4,3мкК) = -2,325К 3. Дана термоэлектрическая способность пары (Медь-Свинец), α=3,2*10 6 Термо-эдс(Е)=-120мкВ, Т1 = 250К. Найти Т2 -? Решение: Выразим из формулы
неизвестную нам Т2: Т2 = Е/α + Т1 = (-120мкВ)/(3,2мкВ/К) + 250К = 212,5К 4. Найти Термоэлектрическую способность пары (Платина-свинец), если известно, что Е = 0,00008В, Т1 = 197 0 С, Т2 = 17 0 С. Решение: Переведем градусы в кельвины (197 0 С = 470К, 17 0 С = 290К) Воспользуемся формулой
Выразим из нее коэффициент термо-эдс, и подставим все составляющие: α = 0,00008В / (290 – 470) = -0,00000044 = -4,4 мкВ/К 5. Будет ли возникать термо-эдс в цепи, состоящей из двух свинцовых проводников, при том, что места контактов этих проводников поддерживаются разными температурами? Решение: Термо-эдс будет равна нулю, так как коэффициент термопары будет равен нулю. Эффект Зеебека существует только тогда, когда выполняются одновременно 2 условия:
- замкнутая цепь должна состоять из последовательных разнородных проводников.
- поддержание мест контактов этих проводников при разной температуре.
Контактная разность потенциалов. Термоэдс
Если привести в плотное соприкосновение (спаять) два конца проволочек из различных металлов, то в области их соединения возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов (рис.3). Величина контактной разности потенциалов не зависит ни от формы, ни от размера проводников и определяется лишь тем, какие металлы вступили в контакт и какова температура в месте их соприкосновения.
Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин: 1) разная работа выхода электронов у различных металлов; 2) различная концентрация свободных электронов в металлах.
Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно. Поэтому между металлами при контакте возникает разность потенциалов, равная
где и А2 – работа выхода соответственно первого и второго металлов, e – заряд электрона.
При контакте двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретет положительный заряд. Другой металл, вследствие диффузии имеющий меньшую концентрацию электронов, зарядится отрицательно. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии свободных электронов, равна
где n1 и n2 – концентрации свободных электронов соответственно в первом и втором металлах, k – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура.
Суммарная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, будет равна
Составим цепь из двух разнородных металлов А и В (рис.4). Эта цепь будет иметь два спая, у каждого из которых появится контактная разность потенциалов, равная соответственно:
Поэтому можно считать, что каждый спай обладает определенной электродвижущей силой (ЭДС). Так как в одном из спаев электроны будут двигаться по часовой стрелке, а в другом – против, то ЭДС спаев направлены противоположно, а суммарная ЭДС всей цепи равна разности ЭДС отдельных спаев:
Если температуры спаев различны (T1 ≠ T2), то возникающая в цепи ЭДС называется термоэлектродвижущей силой (термоэдс). При равенстве температур спаев (T1 = T2) U1 = U2, следовательно, термоэдс равна нулю, и ток в цепи отсутствует.
называется удельной термоэдс, показывает, насколько меняется термоэдс при изменении разности температур на один градус, и измеряется в вольтах на кельвин .
Таким образом, термоэлектродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур спаев
Единицей измерения термоэдс в системе СИ является В (вольт).
Если для данной пары металлов известны величина и температура одного спая Т1, то измерив термоэдс , можно вычислить неизвестную температуру Т2 второго спая.
Методика измерения термоЭдс
Для практического определения дифференциальной термоЭДС необходимо к любым двум точкам исследуемого образца с известными температурами Т1 и Т2 подвести два электрода, изготовленных из одного и того же металла и подключенных к высокоомному прибору для измерения термоЭДС U(T), развиваемой при разности температур Т1 — Т2. Дифференциальную термоЭДС исследуемой пары при средней температуре T = 0,5(T1 + T2) находят по уравнению
(1.12)
Изучение температурной зависимости термоЭДС проводится на образце, выданном преподавателем.
Измерения осуществляют на установке (рис. 1.3), состоящей из нагревательных элементов, регуляторов питания, нагревателей, переключателя измерительных цепей и компенсационного потенциометра КП, в качестве которого используют высокоомный потенциометр Р-307.
Образец 10 находится между двумя хромель (Хр) — алюмелевыми (Ал) термопарами. Надежный электрический контакт Хр-Ал термопары с образцом обеспечивается за счет поджимающей пружины 4, установленной в одной из направляющих втулок 6, закрепленных на боковых крышках 7 печи сопротивления. Печь опирается на шайбу 5, жестко соединенную с чехлом данной термопары.
Температурный перепад ΔT = T2 – T1 в образце достигается двумя нагревателями 2 и 3, один из которых расположен асимметрично. Остальные обозначения на рис. 1.3 соответствуют: 1 — теплоизолятору, 8 — корпусу печи.
Рис. 1.3. Конструкция теплового узла установки для измерения термоЭДС: 1- теплоизолятор; 2, 3 — нагреватели; 4 — пружина; 5 — шайба; 6 — направляющие втулки; 7 — боковые крышки; 8 — корпус печи; 9 — винт крепления термопары; 10 — исследуемый образец
Принципиальная схема установки показана на рис. 1.4. С помощью общего выключателя с тепловой защитой включаются автотрансформаторы (ЛАТР), с которых снимается напряжение нагревателей V1 и V2. Переключатель П1 подключает вольтметр к первому или второму автотрансформатору.
Рис. 1.4. Принципиальная схема установки для измерения термоЭДС: V1,2 — регуляторы напряжений на основном и дополнительном нагревателях; П1,2,3 — переключатели измерительных цепей
С помощью переключателя П2 осуществляется коммутация измерительных цепей.
В верхнем положении переключатель П2 подключает термопары Хр1-АЛ1 и Xр2–Aл2 к клеммам Х1 и X2 компенсационного потенциометра.
В нижнем положении переключатель П2 подключает к соответствующим клеммам прибора X1 и Х2 лишь хромелевые ветви термопар (Хр-Хр) либо алюмелевые (Ал-Ал). В этом случае ЭДС образца измеряется относительно металла зондов (Хр либо Ал) и соответствует измеряемой ΔТ = Т2 – Т1.
ТермоЭДС α определяется по уравнению (1.12) и считается постоянной в интервале температур ∆Т.
Зондами при измерении U(T) служит проволока самих термопар, горячие спаи которых имеют электрический контакт с образцом. Поэтому измеряемая термоЭДС αМе–Хр и αМе–Ал по правилу аддитивности описывается соотношениями
Рис. 1.5. Зависимость абсолютной термоЭДС некоторых
металлов от температуры
Здесь αМ, αХр, αАл — значения абсолютных термоЭДС, соответственно, исследуемого металла, хромеля и алюмеля. Для нахождения значения абсолютной термоЭДС исследуемого вещества достаточно знать αХр, αАл при соответствующих температурах. Эта информация представлена на графике (рис. 1.5).
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад