Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Термопара изготовляется из проволок двух разнородных материалов, соединенных на концах и образующих замкнутый контур, в который включают также прибор для измерения напряжения. Если спаи (места контакта проволок) находятся при разных температурах, то возникает э. д. с. (рис. 15.4). Во время измерений температуру одного из спаев (спай сравнения) поддерживают постоянной (обычно равной 0°С). Э. д. с. зависит,
15.1. Термоэлектрические явления
99
Т°С
прио°с : %Си~ 7Грг/13^Ш1,си-7ГР1,Р1/1з7оЯп
Рис. 15.4. Схема цепи с термопарой.
таким образом, только от температуры другого (рабочего) спая термопары. Для перевода термо-э. д. с. в значения температуры пользуются справочными таблицами, а для измерения э. д. с, составляющих, как правило, несколько милливольт, применяют вольтметры с высоким входным сопротивлением или потенциометры. Чтобы напряжение на клеммах регистрирующего прибора было равно э. д. с. термопары, необходимо проводить измерения в «бестоковом» режиме; это позволяет избежать возникновения в контуре потерь на нагревание, пропорциональных РД.
7*
100
15. Другие электрические свойства
Схема цепи для измерения температуры изображена на рис. 15.4. Металлами в данном случае являются платина и сплав Рх/13% Шт Для соединения в цепи использован еще и третий металл, им, как правило, бывает медь; оба спая Рх—Си и Рх/13% Ий-Си находятся при 0°С. Наличие медных проводников не сказывается на э. д. с. термопары, поскольку их спаи с металлами, образующими термопару, находятся при одной и той же температуре (рис. 15.4, б). Электродвижущая сила такой цепи, измеряемая на концах медных проводников, равна э. д. с. пары Рх—Рх/13% РЬ, спаи которой находятся при температурах 0 и Т°С.
Температурная зависимость э. д. с. достаточно хорошо описывается выражением
Е = аАВ (Т2-Тд + ЧАв (Т^-Т*) (15.5)
где а и Ъ — термоэлектрические коэффициенты металлов А и В, а Т\ и г2 — температуры спаев. Для сопоставления значений а и Ъ различных металлов, необходимо было выбрать некий ме-
Таблица 15.1. Термоэлектрические коэффициенты
Металлы или сплавы а Ь
Сурьма ( -1-35,6 +0,145
Железо +16,7 —0,0297
Медь +2,71 +0,0079
Платина —3,03 —3,25
Никель —19,1 —3,02
Константан (60% Си, 40% №) —38,1 —0,0888
Висмут —74,4 +0,032
талл сравнения и принять его коэффициенты равными нулю; таким металлом условились считать свинец. Подобным же образом окислительно-восстановительные потенциалы табулированы по отношению к водородному электроду (72Н2/Н+), потенциал которого принят равным нулю. Термоэлектрические коэффициенты некоторых металлов приведены в табл. 15.1. Для любой пары АВ термоэлектрические коэффициенты равны разностям соответствующих коэффициентов для индивидуальных металлов:
^ав = Да—ав и ЬАВ = Ьк—ЬЕ
Те термопары, которым соответствует большое значение коэф
15.1. Термоэлектрические явления
101
фициента Дав (например, для пары железо — константан а = = 16,7—(—38,1) =54,8), характеризуются высокой чувствительностью. Термопары на основе платины и ее сплавов характеризуются небольшими значениями а, однако они имеют то преимущество, что их можно использовать при очень высоких температурах.
Из уравнения (15.5) следует, что зависимость Е от Т2 является параболической (рис. 15.5). При Т2 = Т\ э. д. с. равна
Рис. 15.5. Зависимость э. д. с. термопары от температуры.
нулю, при Т2 ——а/b проходит через минимум, а при Т2 = = —2(а/Ь)—Т\ вновь становится равной нулю. Для большинства практических применений термопар Т2~>Ти так что зависимость э. д. с. от температуры, как правило, соответствует высокотемпературной ветви параболы.
Применение термоэлектрических эффектов весьма разнообразно. Набор из п последовательно соединенных термопар образует термобатарею, э. д. с. которой соответственно в п раз больше, чем э. д. с. одной термопары. Такие термобатареи используют для преобразования солнечной энергии, а также в астрономии при исследованиях излучения звезд. Материалы, имеющие большие коэффициенты Пельтье и Зеебека, могут быть использованы в термоэлектрических источниках энергии и термоэлектрических системах охлаждения. Полупроводники обычно характеризуются гораздо большими значениями коэффициентов, чем металлы, однако материалы с большими а и я
102
15. Другие электрические свойства
имеют, как правило, низкую электропроводность о, что вызывает затруднения при их использовании: при прохождении тока через высокоомные полупроводники возникают большие потери на выделение джоулева тепла, а это существенно понижает к. п. д. полупроводниковых устройств. Оптимальные условия для работы достигаются при максимальной величине 1
где К — теплопроводность материала. Найдено, что наибольшие значения 2 характерны для некоторых полупроводниковых соединений с большой молекулярной массой (например, Рл2Те3, В125е;з и РЬТе). Одну ветвь термопары изготовляют из полупроводника я-типа, а другую — из полупроводника р-типа. Таким образом, удается увеличить разность уровней Ферми в зоне контакта соединяемых материалов и достигнуть больших значений я. Термоэлектрические охлаждающие устройства с применением термопар из полупроводников системы В1—Те— —-Бе способны давать температуру примерно на 70 °С ниже комнатной, что используется в конструкциях небольших и бес-ш умных холодильников.
