Що таке термопара і як вона працює

Термопари існують завдяки такому явищу, як контактна різниця потенціалів. Якщо два різних твердих провідника або напівпровідника привести в щільний контакт один з одним, то в околиці місця їхнього зіткнення утворюються розділені електричні заряди. При цьому на зовнішніх кінцях даних провідників виникне різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів виявиться дорівнює різниці робіт виходу для кожного металу, поділеної на заряд електрона

Зрозуміло, що якщо стулити таку пару в кільце, то результуюча ЕРС буде дорівнювати нулю, а якщо з одного боку її все ж залишити розімкнутої, то буде мати місце реальна ЕРС, величиною від десятих часток вольта до одиниць вольт, в залежності від того, що це за матеріали.

Звичайно, вольтметром виміряти контактну різницю потенціалів не вдасться, проте на вольт-амперної характеристики вона себе проявить, так наприклад вона проявляє себе в транзисторі і в діоді на p-n переході.

Суть в тому, що при зіткненні, наприклад, двох металів, система виходить з рівноваги бо хімічні потенціали цих двох металів не рівні один одному, в результаті відбувається дифузія електронів в сторону зменшення їх енергії, що в свою чергу призводить до зміни заряду і електричного потенціалу наведених в контакт металів. Так в приконтактной області починається зростання електричного поля, і як наслідок ми маємо те, що маємо.

Якщо тепер знову розглянути два цих провідники з різних металів, тільки замкнутих в кільце, коли сумарна ЕРС по замкнутому контуру стане дорівнює нулю, то тут вийде два контактних місця. Назвемо ці місця спаями.

Отже, є два спаяний двох різних провідників. Що якщо спробувати підігріти один із спаїв, а другий залишити при кімнатній температурі? Очевидно, що оскільки з’єднані метали різні, і в кожному спае присутній контактна різниця потенціалів, то спаи будуть відчувати різний відхилення ЕРС, перебуваючи при різних температурах.

Експеримент доводить, що різниця потенціалів між спаями буде пропорційна різниці їх температур, так що можна ввести коефіцієнт пропорційності, який називають термо-ЕРС. Для різних термопар термо-ЕРС буде різною.

Якщо в розрізі такого кільця виміряти напругу, то в певному інтервалі температур воно виявиться майже строго пропорційно різниці температур спаїв. І навіть якщо залишити тільки один спай (як на малюнку), і лише його підігрівати, а напруга вимірювати між двома кінцями, які перебувають при одній і тій же кімнатній температурі, то все одно можна знайти дуже чітку залежність ЕРС від поточної температури спаю. Так і працюють термопари.

Описане явище відноситься до термоелектричним, а сам ефект, на базі якого працюють всі термопари, називається ефектом Зеєбека, в честь його першовідкривача – Томаса Зеебека. Сьогодні можна зустріти промислові термопари, у яких, в залежності від необхідного вимірюваного діапазону температур, електроди виготовляють із спеціально підібраних сплавів.

Наприклад термопари зі сплавів хромель і алюмель мають коефіцієнт термо-ЕРС, що дорівнює 40 мікровольт на ° C, і призначені для вимірювання температур в діапазоні від 0 до + 1100 ° C. А пара мідь-константан, настільки популярна в якості демонстраційного посібника, дозволяє вимірювати температури від -185 до +300 ° C.

Її термо-ЕРС сильно залежить від конкретної різниці температур, тому для оцінки її параметрів зручно користуватися таблицею, наприклад при температурі холодного спаю в 0 ° C, при різниці температур в 100 градусів, різниця потенціалів мідно-константановой пари буде приблизно дорівнює 4,25мВ.

Андрій повну

Ссылка на основную публикацию