Термоэлектрический преобразователь

Он представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.

На рисунке 14.129 представлена термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температуры спаев t и t₀ не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев, т. е. если t>t₀, то ток протекает в одном направлении, а при t<t₀ - в другом.

При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает и обратимым свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье). Возникновение термотока или термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах. Таким образом, оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой зависит в итоге от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП. Для математической формализации соотношения между контактными термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой - отрицательным. Например, если t₀<t и ток в этом спае направлен от термоэлектрода А к термоэлектроду В, то термоэлектрод А — термоположительный, а В—термоотрицательный. Обозначим контактную термоЭДС в спае между термоэлектродами А и В при температуре t как e_AB.(t). Указанная запись означает, что если термоэлектрод А положительный и он в очередности написания идет первым, то термоЭДС e_AB.(t) имеет положительный знак. При принятом условии запись e_BA.(t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком. В соответствии с законом Вольта, в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равенстве температур спаев термоток этой цепи равен нулю.

Рисунок 14.129 - Схема термоэлектрического преобразователя

Исходя из этого, можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и ту же температуру, например t₀, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу и потому результирующая термоЭДС такого контура E_AB(t₀ t₀ ) равна нулю. Это видно из равенства (14.42) /8/

E_AB(t₀ t₀)=e_AB(t₀)- e_AB(t₀)=0, (14.42)

С учетом того, что , получим равенство (14.43) /8/

(14.43)

Рассматривая (14.43) с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).

Для замкнутой цепи, показанной на рисунке 14.129, результирующая термоЭДС вычисляется из равенства (14.44) или (14.45) /8/

(14.44)

, (14.45)

Уравнение (14.45) называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС E_AB(t t₀ ) зависит от разности функций температур t и t₀. Если сделать t₀=const, то , то получим равенство (14.46) /8/

, (14.46)

При известной зависимости (14.46) путем измерения термоЭДС и контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t₀=const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом). Следует отметить, что в явном виде зависимость (14.46) для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных используемых ТЭП устанавливается экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построением графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной и значение ее стандартизовано в РФ на уровне 0 ^оС. Примерный вид градуировочной кривой ТЭП показан на рисунке 14.131.

Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.