Контактная разность потенциалов и термоЭДС

В 1797 году итальянский физик Алессандро Вольта, совершенствуя опыты профессора анатомии Луиджи Гальвани, заметил, что «при простом соприкосновении различных проводящих веществ возбуждается электричество», т. е. открыл явление контактной разности потенциалов. Вскоре он из «нескольких неэлектрических тел, выбранных из самых лучших проводников», построил прибор, «обладающий бесконечным зарядом и постоянным импульсом электрического флюида», настолько мощный, что от этого «вольтова столба» смогли зажечь «вольтову дугу» – один из самых ярких источников света.

При контакте проводников электроны переходят к тому, в котором они могут находиться с наименьшим уровнем энергии. В результате такого перехода один проводник заряжается положительно, а другой – отрицательно; контактная разность потенциалов между двумя проводниками может достигать нескольких вольт. Контактная разность потенциалов может явиться причиной электрохимической коррозии (разрушение алюминия в контакте с медью). Значение контактной разности потенциалов максимально при низкой температуре и уменьшается с ростом теплового движения электронов; зависимость контактной ЭДС от температуры используют в термопарах. Термопару спаивают или сваривают из двух различных проводников в двух местах, при этом образуется замкнутая электрическая цепь. Если температура спаев разная, то значения контактной ЭДС тоже разные. Эта разница вызывает ток, называемый термоэлектрическим; если цепь разорвать, то в любом месте мы обнаружим разность потенциалов, которую называют термоэлектродвижущей силой. Явление термоэлектричества открыл Томас Иоган Зеебек в 1821 г.

mV

Лёд

Рисунок 2.5 – Измерение темпе-ратуры с помощью термопары

Термопары широко применяют для измерения температуры. При точных измерениях используют специальные сплавы, а температуру одного из спаев стабилизируют, помещая в тающий лёд или термостат, как показано на рисунке 2.5. Для измерения температур применяют следующие сплавы: копель (56 % Cu и 44 % Ni; алюмель (94,5 % Ni, остальное – Al, Si, Mn и Co); хромель (90,5 % Ni и 9,5 % Cr); никросил (83,5 % Ni, 13,7 % Cr, 1,2 % Si); нисил (95 % Ni, 4,2 % Si); платинородий (6, 10, 13 или 30 % Rh, остальное Pt); вольфрамрений (5 или 20 % Re, остальное W). Средние значения термоЭДС (измеряют в мкВ/К) и температурный диапазон применения термопар приведены в таблице 2.3. В холодном спае ток направлен от первого материала ко второму, в горячем – наоборот.

Большие значения удельной термоЭДС можно получить при использовании сплавов, имеющих сложную зонную структуру и обладащих свойствами полупровод­ников. Эти сплавы используют в термоэлементах для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую (см. подразд. 3.1).

Паразитные термоЭДС могут нарушить работу электроизмерительных приборов и других устройств, использующих сигналы с малым значением напряжения. Здесь следует подбирать материалы, имеющие малые значения контактной разности потенциалов и термоЭДС.

Таблица 2.3 – Основные характеристики термопар

Термопара	Название	Тип МЭК	ТермоЭДС, мкВ/К	Диапазон, °С, от      до
Медь-константан	ТМК	T	~50	200	350
Железо-константан	ТЖК	J	~60	200	600
Хромель-копель	ТХК	L	~75	200	600
Хромель-алюмель	ТХА	K	~40	200	1000
Никросил-нисил	ТНН	N	~30	–270	1300
Платинородий (10 %Rh)-платина	ТПП10	S	~12	0	1300
Платинородий (13 %Rh)-платина	ТПП13	R	~12	0	1300
Платинородий (30 % Rh)- платинородий (6 % Rh)	ТПР	B	~12	200	1700
Вольфрамрений (5 % Re)-вольфрамрений (20 % Re)	ТВР	A -1, A -2, A -3	~10	0 0	2200 1800