Общие сведения о возникновении электродвижущей силы

В металлах полупроводниках процессы переноса зарядов (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока — электронов проводимости и дырок. Эта взаимосвязь обуславливает ряд явлений (Зеебека, Пельтье, и Томсона), которые называют термоэлектрическими явлениями.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой электрической цепи из разнородных металлов возникает термо ЭДС если места контактов поддерживаются при разных темпера — турах. Эта ЭДС зависит только от температуры и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термо ЭДС для пар металлов может достигать 50 мкВ/градус; в случае полупроводниковых материалов величина термо э д с выше (10 во 2-ой + 10 в 3-ей мкВ/градус).

Электротермический способ дефектоскопии, заключающийся в том, что контролируемую зону нагревают, пропуская через нее в течение определенного времени постоянный по величине электрический ток, измеряют при помощи термопары-датчика температуры ее нагрева и судят о наличии дефекта по отклонению этой температуры от температуры нагрева бездефектной зоны сварного соединения, отличающийся тем, что с целью контроля зоны сварного соединения двух разных металлов, например, контактных узлов радиодеталей, в качестве термопары-датчика используют термопару, образованную соединенными металлами.

Для проверки качества сварного шва снимают распределение термоэлектрического потенциала поперек шва. Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности шва, а их величина — о степени неоднородности. Быстро и наглядно.

Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников любого состава, все спаи(контакты) которых поддерживаются при одной и той же температуре, то термо ЭДС в такой системе будет равна термо ЭДС исходного элемента.

Термопара, содержащая защитный чехол, термоэлектроды с электрической изоляцией, рабочие концы, которых снабжены, снабжены токопроводящей перемычкой, образующей измерительный спай, отличающийся тем, что с целью увеличения срока службы термопары в условиях повышенной вибрации и больших скоростей нагрева, измерительный спай термопары выполнен в виде слоя порошкообразного металла,расположенного на дне защитного чехла.

При измерении физического состояния веществ, участвующих в контакте изменяется и величина термо ЭДС.

Способ распознавания систем с ограниченной и неограниченной взаимной растворимостью компонентов по температурной зависимости термо ЭДС отличающейся тем, что с целью повышения надежности распознавания измеряют термо ЭДС кон — такта двух исследуемых образцовмежду металлом, сжатым всестороннем давлением, и тем же металлом, находящемся при нормальном давлении тоже возникает термо ЭДС.

4 ПОНЯТИЕ ТЕРММОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА

Если прохождение тока в замкнутой цепи вызывает нагревание одних и охлаждение других спаев, то нагревание одних и охлаждение других контактов приводит к появлению тока в цепи (эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект) в отсутствие внешнего источника.

Пусть температура во всех точках однородного металлического стержня (рисунок 2) одинакова; значит, повсюду одинаковы концентрации, средние энергии и скорости свободных электронов.

Рисунок 2 — Металлический стержень

При этом через любое сечение стержня за единицу времени проходит одинаковый поток электронов слева направо и справа налево.

Нагреем один конец стержня и будем его поддерживать при постоянной температуре . Противоположный же конец будем непрерывно охлаждать так, чтобы его температура оставалась неизменной. Тогда в стержне установится градиент температуры, и через него будет идти постоянный поток тепла. Перенос тепла в металлах осуществляется в основном движением свободных электронов. При этом электроны, проходящие через сечение из области с более высокой температурой, переносят с собой больше энергии, чем электроны, проходящие через то же сечение в противоположном направлении. Вследствие различия скоростей электронов, находящихся в областях с различными температурами, окажется различным и число электронов, проходящих через сечение в противоположных направлениях. Таким образом, в равновесном состоянии наличие градиента температуры вдоль стержня создает постоянную разность потенциалов на его концах, величина которой пропорциональна градиенту температуры.

Если спаять в одном месте два разнородных металла 1 и2, и нагреть спай до некоторой температуры , превышающей температуру обоих концов (рис.3, а), то из-за различного падения потенциала обоих металлови их электронных концентраций потенциалы свободных концов будут различны, и между металлами возникнет разность потенциалов . Если нагреть такой спай до другой температуры (рисунок 3, б), то между свободными концами установится другое значение разности потенциалов .

Рисунок 3 — Спай разнородных материалов

Соединяя свободные концы одинаковых металлов (как показано на рисунок 3 пунктиром), мы видим, что в замкнутой цепи из двух разнородных металлов возникает электродвижущая сила (1), если между спаями поддерживается постоянный перепад температур(2)

(1)

(2)

Эта величина называется термоэлектродвижущей силой (термоэдс) и создает в замкнутой цепи (рисунок 4) постоянный электрический ток.

Рисунок 4 — Термоэлектродвижущая сила в замкнутой цепи

Производная

(3)

характеризует возрастание термо ЭДС для данной пары металлов при нагревании одного из спаев на и обычно весьма мала. Для пар железо-медь, железо — константан, широко применяемых в технике при измерении температур, имеет порядок 50 мкв/град. Для высокотемпературной пары платина-платинородиевый сплав этот коэффициент примерно в 10 раз меньше.

Измеряя величину термо ЭДС, можно определить разность температур между спаями, помещенными в различные резервуары. Для таких практических применений подбирают термопары, у которых коэффициент в широком интервале температур остается практически постоянным. В этом случае ЭДС прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев:

(4)

Необходимо подчеркнуть принципиальную разницу между контактной разностью потенциалов и термоэлектрическими явлениями. Контактные потенциалы имеют сравнительно большую величину (порядка нескольких вольт) и характеризуют электрическое поле вне проводников между наружными поверхностями последних. Контактная разность потенциалов есть статический эффект, не исчезающий и при абсолютном нуле температуры. В противоположность этому термоэлектрические явления представляют собой чисто кинетические эффекты, наблюдаемые при наличии потоков тепла или заряда (т.е. тока). Возникающие при этом разности потенциалов по абсолютной величине малы (доли милливольта). При абсолютном нуле количество электронов , обусловливающих эти эффекты, равно нулю и все термоэлектрические явления исчезают.

Постоянство и линейная зависимость соблюдаются далеко не всегда и не во всем интервале температур. Для ряда систем с повышением температуры горячего спая термоЭДС изменяется не монотонно, сначала возрастает, а затем убывает и даже переходит через нуль (точка инверсии). Кроме того, величина термо ЭДС (и коэффициента Пелътье) чувствительна к внешним механическим воздействиям, искажающим структуру металла и энергетические уровни электронов. Поэтому применяемые в технике и для научных исследований термопары всегда нуждаются в тщательной индивидуальной градуировке.

В электрических схемах и приборах всегда имеются спаи или контакты различных по своему составу и обработке проводников. При колебаниях температуры окружающей среды в этих местах контактов возникают неконтролируемые блуждающие термо ЭДС. Вследствие малости этих термо ЭДС они обычно не сказываются на работе приборов, но при очень точных и тонких измерениях необходимо учитывать и предотвращать возможность подобных влияний.

С другой стороны, термо ЭДС имеет широкое полезное практическое применение, как простой электрический метод измерения температур. При подобных намерениях с помощью термопар или термоэлементов одни из спаев поддерживается при вполне определенной постоянной температуре (например, помещается в тающий лед) и измеряется идущий в замкнутой цепи термоток (5) с помощью гальванометра, как это изображено на рисунке 5.

(5)

Рисунок 5 — Измерение термо тока в замкнутой цепи с помощью гальванометра

В более грубых технических термопарах один из спаев имеет просто температуру окружающей среды. Для повышения чувствительности термоэлементов их соединяют последовательно в термобатарею (рисунок 6).