Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Градуировка термопары: Методические указания к лабораторной работе

Голосов: 2

Цель работы: Изучить термоэлектрические явления, проградуировать термопару, определить коэффициент термоЭДС. Приборы и принадлежности: термопара, милливольтметр, термометры, сосуд с маслом, нагреватель. Приведены основные теоретические сведения, описание экспериментальной установки, порядок выполнения работы, контрольные вопросы. Подготовлено на кафедре физики Белгородского государственного технического университета.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    Доцент Сабылинский А.В.
                                                      Работа 3-6
                                        ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ


         Допуск_______________________Выполнение_______________________Защита____________________

   Цель работы: Изучить термоэлектрические явления, проградуировать термопару, определить коэффициент тер-
моЭДС.
   Приборы и принадлежности: термопара, милливольтметр, термометры, сосуд с маслом, нагреватель.


                                               Теоретические сведения.
    Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми
потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических
явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.
    Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при ко-
лебаниях температуры в местах контактов возникают термоЭДС, которые необходимо учитывать при точных измере-
ниях.
    К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.
    Эффект Зеебека - возникновение ЭДС (термоЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соеди-
ненных разнородных проводников М1 и М2, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах.
    Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток IT), причем изменение знака у
разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1).


                    ΤΒ = ΤΑ + ΔΤ                                                     Τ Α < ΤΒ
 IΤ                                                             IΤ
                           Α                                                        Α

Μ1                                                              Μ1
                                                 Μ2                                                       Μ2
                           Β                                                        Β


                             Τ Α < ΤΒ                                                ΤΒ = ΤΑ + ΔΤ


     Цепь, составленная из двух различных проводников (М1, М2), называется термоэлементом или термопарой, а ее
ветви - термоэлектродами.
     Величина термоЭДС ( ε Τ ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA, TB), разности этих температур
ΔT и от природы материалов, составляющих термоэлемент.
     ТермоЭДС контура определяется формулами:
                                                   d ε T = α12 dT ;

                                                           TA

                                                      ε T = ∫ α12 dT   .
                                                           TB

      Здесь   α12   - коэффициент термоЭДС металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой
обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину α12
измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для свинца разность
потенциалов между его нагретым и холодным концами равна 0 (при низких температурах, при средних и высоких
температурах применяется платина).
    Значения коэффициентов термоЭДС металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно α1 и
α2    и называют абсолютными коэффициентами термоЭДС. Тогда α12 = α1 − α 2 .
       В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0оС ч 100оС):
                                                                                                               1


                                          ε T = α12 (TA − TB ) = α12 ΔT .
   Направление термотока определяется следующим образом: в более нагретом спае ток течет от металла с мень-
шим значением α к металлу, у которого коэффициент термоЭДС больше. Например, для термопары железо (М1) -
константан (М2) абсолютные коэффициенты термоЭДС соответственно равны: α1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и α 2 = -
38.0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в более горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к
М1). Именно эта ситуация (когда α 2 < α1 ) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 1.
     Коэффициент термоЭДС определяется физическими характеристиками проводников, составляющих термоэле-
мент: концентрацией, энергетическим спектром, механизмами рассеяния носителей заряда, а также интервалом тем-
ператур. В некоторых случаях при изменении температуры происходит даже изменение знака α .
     ТермоЭДС обусловлена тремя причинами:
     1) температурной зависимостью наивысшего энергетического уровня, занятого электронами, что приводит к по-
явлению контактной составляющей термоЭДС;
     2) диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть термоЭДС;
     3) воздействием на электроны звуковой волны, распространяющейся в кристалле.
     Рассмотрим первую причину. Несмотря на то, что в проводниках свойства электронного газа существенным
образом отличаются от классических, для понимания термоэлектрических явлений эта зависимость имеет принципи-
альное значение. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности
потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температу-
ра спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению
электрического равновесия и возникновению контактной термоЭДС ( ε12 ):
                                                                       k

                                               TA            TA

                                         ε12 = ∫ α12 dT = ∫ (α1k − α 2k )dT
                                          k       k
                                                                              ;
                                               TB            TB

                                                             1 ∂EF
                                                    αk = −         ,
                                                             e ∂T
      где EF - наивысший энергетический уровень, занятый электронами; k - постоянная Больцмана; е - заряд электро-
на.
     Для свободных электронов α линейно меняется с температурой.
                                  k

     Вторая причина обуславливает объемную составляющую термоЭДС, связанную с неоднородным распределени-
ем температуры в проводнике. Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет
идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводи-
мости. Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры. В результате, кон-
центрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет элек-
трическое поле ЕТ, направленное против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению за-
рядов (рис. 2).
                                 ΤΑ = Τ R + ΔΤ                                    ΤR
                                 +                                                 −
                                                                  dT dx
                              Α +                                                 −Β
                                                    ET
                                  +                                               −

                                                         l
                                                     ΔϕT = El
                         Рис.2 Возникновение термоЭДС в однородном материале вследствие
                                    пространственной неоднородности температуры


     Напряженность возникающего термоэлектрического поля определяется градиентом температуры вдоль образца
( EТ = α ⋅ dT dx ), а разность потенциалов (термоЭДС) - разностью температур ( ΔϕT = α ⋅ ΔT ).
     Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль образца создает постоянную
разность потенциалов на его концах. Это и есть диффузионная (или объемная) составляющая термоЭДС, которая оп-
ределяется температурной зависимостью концентрации носителей заряда и их подвижностью. Электрическое поле
                                                                                                                2


возникает в этом случае в объеме металла, а не на самих контактах.
     В случае положительных носителей заряда (дырки) нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный поло-
жительно, что приведет к смене знака термоЭДС. В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному
диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлени-
ях. В некоторых случаях эти поля компенсируют друг друга, и никакой разности потенциалов между концами не воз-
никает. Именно такой случай имеет место в свинце.
     Третий источник термоЭДС - воздействие на электроны звуковой волны, распространяющейся в кристалле.
     При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает звуковая волна, распространяющаяся от горя-
чего конца к холодному и передающая энергию электронам. В результате, вблизи холодного конца образца будет на-
капливаться отрицательный заряд (а на горячем - положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов
не уравновесит этот эффект. Эта разность потенциалов и представляет собой дополнительную составляющую термо-
ЭДС, вклад которой при низких температурах становится определяющим.
     Необходимо отметить, что второе и третье слагаемые термоЭДС имеют один и тот же знак, в то время как кон-
тактная термоЭДС, как правило, противоположна им по знаку.
     Строгий вывод термоЭДС достаточно сложен. Вообще, причина всех термоэлектрических явлений - нарушение
теплового равновесия в потоке.
     Если считать, что зависимость проводимости металлов ( σ ) от энергии (Е) достаточно слабая, то для свободных
электронов получается формула:
                                                            π 2 k 2T
                                                      α=               .
                                                             3eEF
     Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей.
В металлах концентрации свободных электронов очень велики и не зависят от температуры. Поэтому термоЭДС
"классических" металлов очень мала (порядка нескольких мкВ/К). Для полупроводников α может превышать 1000
мкВ/К.
     В таблице 1 приведены значения α некоторых металлов (по отношению к свинцу) для интервала температур
0оС ч 100оС (положительный знак   α   приписан тем металлам, к которым течет ток через нагретый спай).
                                                       Таблица 1
                                         Металл                 α , мкВ/К
                                         Платина                -4.4
                                         Олово                  -0.2
                                         Свинец                 0.0
                                         Серебро                +2.7
                                         Медь                   +3.2
                                         Сурьма                 +4.3

     Эффект Пельтье - термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического
тока I через контакт двух различных проводников или полупроводников на контакте, помимо джоулева тепла, проис-
ходит выделение дополнительного тепла Пельтье QP при одном направлении тока и его поглощение при обратном
направлении.
    Величина выделяемого тепла QP и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его
прохождения:
                                                    dQP = π 12 ⋅ I ⋅ dt .
    Здесь  π 12 = π 1 − π 2 - коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами
Пельтье π 1 и π 2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При
выделении тепла Пельтье имеем: QP > 0, π 12 > 0, π 1 > π 2 . При поглощении тепла Пельтье оно считается отрица-
тельным и соответственно: QP < 0, π 12 < 0, π 1 < π 2 . Очевидно, что π 12 = −π 21 . Размерность коэффициента Пельтье
[ π ]СИ=Дж/Кл=В.
    Вместо тепла Пельтье часто используют мощность тепловыделения, определяемую тепловой энергией, ежесе-
кундно выделяющаяся на контакте единичной площади за единицу времени:
                                                 q p = π 12 ⋅ j ,
    где j = I S - плотность тока; S - площадь контакта; размерность этой величины [qP]СИ=Вт/м2.




                                                                                                                   3


                            Α                                                Α
               ПП1                                                 ПП1

          а         I                                      б
                +                                                   −
           ε                                 ПП 2            ε                                 ПП 2
                −                                                   +

                                                                        I

               ПП1                                                 ПП1
                            Β                                                Β
           Q p ( Α ) > 0 Q p (Β) < 0 Τ Α > Τ Β               Q p ( Α ) < 0 Q p ( Β) > 0 Τ Α < Τ Β
                                Рис.3 Выделение и поглощение тепла Пельтье
                                                (контакт А)
    Рассмотрим замкнутую цепь, составленную из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.
    Через цепь течет ток I, созданный внешним источником ε. Рис. 3а иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А
(ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье QP ( А) > 0 , а на контакте В (ток направлен от ПП2 к
ПП1) его поглощение - QP ( B ) < 0 . В результате происходит изменение температур спаев: TA > TB .
     На рис. 3б изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А
и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами кон-
тактов: QP ( А) < 0 , QP ( B ) > 0 , TA < TB .
     Эффект Пельтье возникает на контакте двух металлических проводников или полупроводников. Носители тока
по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического
спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область
с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта
происходит выделение теплоты Пельтье ( QP > 0 ) и температура контакта повышается. При этом на другом спае но-
сители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглоще-
ние теплоты Пельтье ( QP < 0 ) и понижение температуры.
     Эффект Томсона заключается в следующем: при пропускании электрического тока через проводник, вдоль ко-
торого существует градиент температуры, в проводнике, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока
будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла.
     Неравномерное нагревание первоначально однородного проводника меняет его свойства, делая проводник неод-
нородным. Поэтому явление Томсона это, в сущности, своеобразное явление Пельтье с той разницей, что неоднород-
ность вызвана не различием химического состава проводника, а неодинаковостью температуры.
     Теоретические расчеты показывают, что явление Томсона подчиняется следующему закону, записанному в диф-
ференциальной форме:
                                                                 dT
                                                 QτS = τ ⋅ j ⋅      ,
                                                                 dx
    где   QτS - тепло Томсона, выделяющееся (или поглощающееся) за единицу времени в единице объема проводника
(удельная тепловая мощность);
     τ - коэффициент Томсона, зависящий от природы металла и его температуры.
     Для отрезка проводника x, вдоль которого течет ток I и имеется некоторый перепад температур:
                                                         dT
                                                  ΔT =      Δx .
                                                         dx
     Закон Томсона в интегральной форме определяет полное количество тепла Томсона Q, выделившееся (или по-
глотившееся) во всем рассматриваемом объеме проводника ( ΔV = S ⋅ Δx ) за время t:
                                                 Qτ = QτS ΔV ⋅ t .
    При этом эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента
температуры ( dT dx ), вызывает нагревание проводника ( Qτ > 0 ), и отрицательным, если при том же направлении
тока происходит охлаждение проводника ( Qτ < 0 ).
                                                Qτ = τ ⋅ ΔT ⋅ I ⋅ t

                                                                                                               4


    Для объяснения эффекта Томсона необходимо рассмотреть влияние двух факторов. Первый фактор учитывает
изменение средней энергии электронов вдоль проводника из-за его неравномерного нагрева (см. рис. 4a и 4б).



     Τ1 = Τ 2 + ΔΤ                            Τ2                   Τ1 = Τ 2 + ΔΤ                              Τ2
а                                  dT dx
                                                              б                                    dT dx
                                                                                  Qτ < 0           υe
          1          υe            Qτ > 0        2                        1                                      2
                                                          S                                                                S
                                      I                                                I
M                          Δx                                 M                           Δx
                          Qτ > 0                                                      Qτ < 0


                         Рис 4. Выделение тепла Томсона при параллельности (а) и антипараллельно-
                                          сти (б) тока и градиента температуры в образце

     Пусть Т1>Т2, т.е. градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1. В более нагретой части проводника (1)
средняя энергия электронов больше, чем в менее нагретой (2). Поэтому, если направление тока в металле (М) соответ-
ствует движению электронов от горячего конца к холодному (рис. 4a), то электроны передают свою избыточную энер-
гию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона ( Qτ > 0 ).
     При обратном направлении тока (рис. 4б) электроны, двигаясь от холодного конца (2) к нагретому (1), будут по-
полнять свою энергию за счет решетки, что приведет к поглощению соответствующего количества теплоты ( Qτ < 0 ).
     Для более точного описания явления необходимо учесть второй фактор, который связан с электрическим полем
термоЭДС, возникающим в условиях неоднородности температуры (рис. 5а и 5б).

      Τ1 = Τ2 + ΔΤ                     Τ2                              ΤΑ = Τ2 + ΔΤ                     Τ2
    а +                    dT dx        −                     б −                          dT dx        +
                                               I ↑↑ dT dx
                                                                                                              I ↑↓ dT dx
    1 +                    ET           −2       Qτ > 0           1 −                        ET         + 2
                                                                                                                 Qτ > 0
       + Qτ < 0      I                  −                              − Qτ > 0        I                +
M                                                             M                       Δx
                         Δx

          Рис.5 Охлаждение (нагрев) проводника при торможении (ускорении) электронов диффузион-
                            ным электрическим полем пространственного заряда



     Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток теп-
ла. В металлах перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости (е). Возникает диффу-
зионный поток электронов, направленный против градиента температуры (от 1 к 2). В результате концентрация элек-
тронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле
ЕТ, направленное от 1 к 2, т.е. против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению заря-
дов. Если теперь через проводник пропустить ток I от внешнего источника в направлении градиента температуры
(рис.4a и рис. 5a), то электрическое поле ЕТ (связанное с термоЭДС) будет тормозить электроны, что приводит к охла-
ждению участка 1-2 ( Qτ < 0 ).
     На рис. 5б изображена обратная ситуация: электрическое поле термоЭДС ЕТ ускоряет электроны проводимости, в
результате чего на участке проводника 1-2 происходит выделение тепла Томсона ( Qτ > 0 ).
     Таким образом, сравнение рисунков 4a - 5a и 4б - 5б показывает, что рассмотренные факторы действуют в проти-
воположных направлениях, определяя не только величину, но и знак τ и Qτ . Величина коэффициента Томсона для
большинства металлов довольно мала и не превышает τ ≈ 10
                                                                  −5
                                                                       B K.




                                                                                                                           5


                                          Применение термоэлектрических явлений.

     Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствитель-
 ный 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 прибо-
                                                      рами термопара образует термоэлектрический термометр, шка-
                                                   1 ла которого градуируется непосредственно в К или С.
                                                           В местах подключения проводников термопары к измери-
                         2                            тельной системе возникают дополнительные термоЭДС. В ре-
                                                      зультате их действия на вход измерительной системы фактиче-
                                                      ски поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от "тер-
                                                      мопар", возникших в местах подключения ТВ (рис. 6). Исклю-
     ΤΒ                        ΤΒ                     чить их влияние можно, соединив три металлических провод-
                                                      ника М1, М2, М3 и поддерживая температуру одного спая по-
                                                      стоянной (обычно при 273К - с помощью тающего льда) (рис.
                                                      7а). ТермоЭДС контактов подключения компенсируют друг
                                 Μ1                   друга, так как контакты состоят из одинаковых материалов и
 Μ2
                                                      находятся при одинаковой температуре. К сожалению, этот
                                                      способ не всегда удобен на практике.
                  ΤΑ                                       Сейчас в промышленных системах широко используется
                                 Рис.6                техника "компенсации холодного спая". Этот метод заключает-
                                                      ся в том, что температура холодного спая измеряется другим
 датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала
 термопары (рис. 7б).
     Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть нахо-
 диться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и
 датчик температуры холодного спая.
                                  Изотермальная                                                               Изотермальная
                                      зона                                                                        зона
    Рабочий                                                                   Рабочий
     спай                                                                      спай
                                                       К измерительной




                                                                                                                                К измерительной
                                                           системе




                                                                                                                                    системе
                                                                                              Датчик тем-
                                                                                               пературы
                    Тающий лед

                        Рис. 7а                                                                              Рис. 7б
      Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от гелиевых, до нескольких тысяч граду-
 сов. В таблице 2 приведены основные характеристики используемых термопар.
                                                    Таблица 2
                                                       Химический состав термоэлектродов,
            Тип термопары           Обозначение
                                                Букв.
                                                                    мас. %
                                                                                          Диапазон, Чувствительность
                                                обозн.
                                                       положительный      отрицательный      °С      dE/dT, мкB/0C
                                                                                              Cu + (40-45)Ni +
Медь - константановая ТМКн                Cu-CuNi            T                  Cu                                     0-400    40-60
                                                                                               1.0Mn + 0.7Fe
                                                                                              Cu + (42-44)Ni +
Хромель-копелевая ТХК                         -              L               Ni + 9.5 Cr                               0-600    64-88
                                                                                               0.5Mn + 0.1Fe
                                                                                              Cu + (40-45)Ni +
Хромель - константановая ТХКн             NiCr-CuNi          E               Ni + 9.5 Cr                               0-600    59-81
                                                                                               1.0Mn + 0.7Fe
                                                                                              Cu + (40-45)Ni +
Железо - константановая ТЖК                Fe-CuNi            J                  Fe                                    0-800    50-64
                                                                                               1.0Mn + 0.7Fe
                                                                                              Ni + 1Si + 2Al +
Хромель-алюмелевая ТХА                    NiCr-NiAl          K               Ni + 9.5 Cr                               0-1300   35-42
                                                                                                   2.5Mn
Нихросил-нисиловая ТНН                   NiCrSi-NiSi         N           Ni + 14.2Cr + 1.4Si Ni + 4.4Si + 0.1Mg        0-1300   26-36
Платинородий-платиновые ТПП13                 -              R               Pt + 13Rh               Pt            600-1600     10-14
Платинородий-платиновые ТПП10                 -               S              Pt + 10Rh               Pt            600-1600     10-14
Платинородий-платинородиевая                  -              B               Pt + 30Rh            Pt + 6Rh        1000-1800      8-12
Вольфрамрений-вольфрамрениевые                -               -             W + 5%Re            W + 20%Re         1300-2500      14-7


                                                                                                                                                  6


      Из законов термодинамики вытекает, что коэффициент Пельтье и коэффициент термоЭДС α12 связаны соотно-
шением:
                                                     π = α12 ⋅ T ,
      где Т - абсолютная температура контакта.
      Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряет-
ся, а вычисляется по коэффициенту термоЭДС, измерение которого более просто.
      Коэффициент Пельтье, определяющий количество тепла Пельтье, выделяющегося на контакте, зависит от приро-
ды контактирующих веществ и температуры контакта: π 12 = α12 ⋅ Т = (α1 − α 2 ) ⋅ Т , где α1 и α 2 - абсолютные ко-
эффициенты термоЭДС контактирующих веществ. Если для большинства пар металлов коэффициент термоЭДС име-
ет порядок 10-5ч10-4 В/К, то для полупроводников он может оказаться гораздо больше (до 1.5·10-3В/К). Для полупро-
водников с разным типом проводимости α имеет разные знаки, вследствие чего   α12 = α1 + α 2   .
     Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода
для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование,
управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.
     Термоэлектрический метод охлаждения обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами охлаж-
дения. Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования
температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств -
малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».
     Термоэлектрические охлаждающие устройства применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термо-
статах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппа-
ратуры, для управления процессом кристаллизации, в медико-биологических приборах и т.д.
     Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектриче-
ская батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обла-
дают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводников, причем одна из вет-
вей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р-тип), а другая из чисто электронного (n-тип) полупровод-
ника. Если выбрать такое направление тока, при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло
Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри
холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конст-
рукции холодильника).
     Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20оС до
   о
200 С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.
     В компьютерной технике термоэлектрические охлаждающие устройства имеют жаргонное название ”кулеры” (от
английского cooler - охладитель).
     Коэффициент Томсона связан с коэффициентами Пельтье π и термоЭДС α соотношением Томсона:
                                                      ∂π          ∂α
                                               τ =−      + α = −T    .
                                                      ∂T          ∂T
    Из измерений коэффициента Томсона можно определить коэффициент термоЭДС одного материала, а не раз-
ность коэффициентов двух материалов, как при непосредственном измерении α и π . Это позволяет, измерив τ и
определив из него α . в одном из металлов, получить абсолютную термоэлектрическую шкалу.
    Эффект Томсона не имеет технического применения, однако его необходимо учитывать в точных расчетах тер-
моэлектрических устройств.

                                      Описание экспериментальной установки.

     Установка для изучения термопары состоит из сосуда с маслом, в который помещены термопара, термометр и
нагреватель.
     Температура масла измеряется термометром. В качестве нагревателя используется лампа накаливания. Измере-
ние термоЭДС осуществляются милливольтметром.
                                              Выполнение работы

    1. Записать комнатную температуру t0 и показание милливольтметра.
    2. Включить нагреватель.
    3. Записать температуру и показания милливольтметра через равные интервалы изменения температур (50) в
таблицу 3.
    4. Температуру жидкости довести до 80-900.
    5. Для дальнейших расчетов введите следующие обозначения:
                                                  xi = Δti   yi = ε i


                                                                                                                7


    6. Для проверки соответствия зависимости y = A ⋅ x определите параметр A и дисперсию адекватности по
формулам:
                                          ∑x ⋅y          i       i                    ∑ ( y − A⋅ x )
                                                                                              i        i
                                                                                                           2


                                       A=        i
                                                                             Sад =
                                                                              2        i

                                          ∑x         i
                                                             2
                                                             i                                 i −1
                                                                                            2
                                                                                           Sад
     7. Вычислите критерий Фишера по следующей формуле: F =                                 2
                                                                                               , где в качестве дисперсии опыта возьмите
                                                                                           Sоп
квадрат абсолютной погрешности милливольтметра Sоп = ( Δε ) .
                                                                      2         2


                                                             1
     8. Проверьте двухстороннее неравенство                          ≤ F ≤ Fтабл и на основании этого сделайте вывод о линейно-
                                                         Fтабл
сти термопары.

     9. Постройте график зависимости     ε = f (Δt ) .
     10. Определите экспериментальное значение коэффициента термоЭДС термопары (α12 = A) и сравните резуль-
таты ( α12 = 0,11 мВ/град).

                                                                          Таблица 3
   № опыта        t0      t      Δti = ti − t0                   εi            xi                 yi           xi
                                                                                                                    2
                                                                                                                        xi yi   ( yi − A ⋅ xi ) 2
          1
          2
          3
          4
          5
          6
          7
          8
          9
          10
          11
          12
          13
          14
      ∑
                                                             Контрольные вопросы

     1.   Чем обусловлены термоэлектрические эффекты?
     2.   В чем состоит явление Зеебека, Пельтье, Томсона?
     3.   Объясните причины возникновения эффекта Зеебека, эффекта Пельтье и эффекта Томсона.
     4.   Какие причины возникновения термоЭДС вы знаете?
     5.   Как устроена термопара.
     6.   Какие способы включения термопары существуют.
     7.   Какая величина называется коэффициентом термоЭДС термопары? От чего она зависит?
     8.   В каких единицах измеряется коэффициент термоЭДС термопары.
     9.   Применение термоэлектрических эффектов.




                                                                                                                                                    8



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика