4. Термоэлектрические термометры

Цепь, составленная из двух различных проводников (М1, М2), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви − термоэлектродами. Величина термоЭДС (ε_Т) зависит от абсолютных значений температур спаев (T_A , T_B), разности этих температур ΔT и от природы материалов, составляющих термоэлемент

Рис. 11. Схема возникновения термоЭДС

 

ТермоЭДС контура определяется формулами:

 

;

.

 

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 α измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами.

Значения коэффициентов термоЭДС металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно α₁ и α₂ и называют абсолютными коэффициентами термоЭДС.

В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0°С 100°С): 

 

εТ = α12 (TA − TB) = α 12ΔT.

 

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим 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 α₂= −38,0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1). Именно эта ситуация (когда α₂< α₁) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 11.

Возникновение термотоков объясняется следующим: при соедине-

нии одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных мате-

риалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице

объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из пер-

вого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом,

первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрица-

тельно. Образующееся при этом в месте соединения проводников электри-

ческое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо-ЭДС). С увеличением температуры проводников значение этой термо-ЭДС также увеличивается. Кроме того, термо-ЭДС возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с концом, менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению возникающей в нем термо-ЭДС.

В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 12,а), либо в разрыв одного из них (рис. 12,б). Концы термоэлектродов А и В (рис. 12,а) называются свободными концами, а точка их спая А называется рабочим концом термопары.

а) б) Рис. 12. Подключение термопары к измерительному прибору

   В местах подключения проводников термопары к измерительной системе ( точки В, С для рис. 12,а и точки С, D для рис. 12,б ) возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения. Из теории термоэлектричества известна «теорема о третьем проводнике». Суть её следующая: включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала не вызывает искажений термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. На основании этой теоремы можно сделать вывод, что для первой схемы включения, при равенстве температур свободных концов Т_С = Т_В = T_0, показания милливольтметра будут пропорциональны разности температур Т_А – Т₀. Аналогично, для второй схемы включения показания милливольтметра будут пропорциональны разности температур Т_А – Т_В.