Термоэлектрический эффект

В основу измерения температуры термоэлектрическими термо­метрами положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи термоэлектрического преобразователя (термопары), состоящего из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные темпе­ратуры. Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t₀, — свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами Термоэлек­трический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается поло­жительно, а металл В — отрицательно. Электрическое поле,

Термоэлектрическая цепь из двух раз­нородных проводников

Термоэлектрическая цепь из однород­ных проводников

возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установив­шегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов.

Если спаяны однородные проводники, концы которых нагреты до разных температур, то свободные электроны диффун­дируют из более нагретых частей проводника в менее нагретые с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. Более нагретые концы проводников заряжаются положительно до тех пор, пока не наступает равновесное состояние за счет создания разности потенциалов, действующей в направлении, обратном тепловой диффузии электронов.

Электронная теория дает лишь физическое (качественное) объяснение термоэлектрического эффекта. Количественное опре­деление термо-ЭДС на основании этой теории невозможно, так как число свободных электронов, приходящихся на единицу объема, не поддается количественному учету, и неизвестен закон их изме­нения с изменением температуры.

Из сказанного следует, что в простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В (см. рис.), возникают четыре различные термо-ЭДС: две термо-ЭДС в местах спаев проводников А и В, термо-ЭДС на конце проводника А и термо-ЭДС на конце проводника В.

Учитывая оба фактора, определяющие суммарную термо-ЭДС замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты до температур t и t₀, обходя цепь в направлении против часовой стрелки, получим

где Е_ав (tt₀) — суммарная термо-ЭДС, определяемая действием обоих факторов; е_АВ (t) и е_ВА (t₀) — термо-ЭДС, обусловленные контактной разностью потенциалов и разностью температур кон­цов проводников А и В.

Если температура спаев одинакова, то термо-гЩС в цепи равна нулю, так как в обоих случаях возникают термо-ЭДС, рав­ные по величине и противоположно направленные. Следовательно, при t = t₀: Е_ав (t₀) = е_АВ (t₀) + е_ВА (t₀) = 0, откуда е_ВА (t₀) = = —£ав (to)- Подставив последнее выражение в уравнение получим

откуда следует, что термо-ЭДС представляет собой сложную функ­цию двух переменных величин t и t₀, т. е. температур обоих спаев.

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, напри­мер, полагая t₀ = const, получим

Если для данного термоэлектрического преобразователя экс­периментально, т. е. путем градуировки, найдена зависимость, то измерение температуры сводится к определению термо- ЭДС термометра.