ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Термоэлектричество - это совокупность явлений, в которых электрический потенциал возникает из-за разницы температур, или же разница температур создаётся электрическим потенциалом.

Если при протекании какого-либо физического процесса произвести измерения теплоты, которая там выделяется, то можно будет определить интенсивность протекания этого процесса. Если при этом преобразовать соответствующую величину этого процесса в какую-либо электрическую величину, то судить о параметрах процесса, оперируя полученными данными, будет гораздо удобнее, так как электрические величины легко могут быть оцифрованы и введены в компьютер для дальнейшей обработки.

Существующие на сегодняшний день термоэлектрические датчики способны работать в широком температурном диапазоне, ими можно измерять как температуру сверхгорячей плазмы, так и температуры, лежащие вблизи абсолютного нуля. Существуют разные виды термодатчиков, изменяющих свои параметры под действием температуры. Одним из видов являются термисторы, или как их ещё называют, терморезисторы.

Полупроводниковые резисторы, имеющие положительный температурный коэффициент, способны резко увеличивать своё сопротивление при увеличении температуры выше некоторого критического значения, широко применяются в блоках питания бытовой аппаратуры, в компьютерах, там, где требуется защита от сильных бросков тока. Эти так называемые PTC-термисторы переключательного типа так же применяются в качестве самовосстанавливающихся предохранителей.

Полупроводниковые резисторы, имеющие отрицательный температурный коэффициент, так называемые NTC-термисторы применяются в блоках питания для ограничения пускового тока, так же они могут служить как термометры сопротивления, так как у них имеется на части температурно-резистивной характеристики линейный участок, например, такие термометры используют в инкубаторах, так как эти датчики имеют подходящий для этого диапазон рабочих температур от -40...+300°С.

Типичными представителями этого вида термисторов являются отечественные термисторы с отрицательным температурным коэффициентом, изготовленные из кристаллической разновидности углерода. Они имеют довольно широкий диапазон рабочих температур, от 80 до 600°К, а так же небольшие размеры - длина их составляет всего 2,5 мм.

Термисторные датчики не являются энергонезависимыми, так как они изменяют только сопротивление при изменении температуры, следовательно для своей работы они требуют электрический ток.

Другой разновидностью термоэлектрических датчиков являются термопары, представляющие из себя сплав двух разнородных металлов (рисунок 1), в точке соединения которых возникает электродвижущая сила (ЭДС). Эти датчики не требуют для своей работы питающего напряжения, так как создаваемого ими напряжения хватает для проведения измерений.

Рис. 1

При соединении двух концов проводников, состоящих из разных металлов, с последующим нагревом точки соединения можно получить ЭДС, возникающую на свободных концах образующейся термопары. Это так называемая термо-ЭДС, её величина не зависит ни от формы проводников, ни от площадей соприкасающихся поверхностей. Для величины термо-ЭДС важны только две вещи - тип проводников, образующих термопару, и её температура. У термопар имеются две зоны, образующихся из соединения проводников - это так называемые "горячий" и "холодный" спаи. Соединение, находящееся в зоне нагрева называют "горячий" спай, а находящееся вне этой зоны - "холодный" спай. Поскольку электрическая цепь замкнута через измерительную цепь, то и название "холодный" спай является условным. Очевидно, что при замыкании концов "холодный" спая термо-ЭДС будет отсутствовать, так же как и при нагреве обоих спаев. Определить величину термо-ЭДС, произведённой термопарой, можно по следующей формуле:

Е_Т = К_Т * (Т₁-Т₂),

где К_т - постоянный коэффициент пропорциональности.

Из этой формулы видно, что величина термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур двух разных металлов, образующих термопару. К_T - это коэффициент пропорциональности, его величина различается для разных пар металлов и сплавов. У пары серебро-платина К_T = 12*10^-3 мВ/°С, для пары медь-константан К_T = 53*10^-3 мВ/°С. При производстве термопар металлы сплавляют или сваривают в среде инертного газа или, что бы обеспечить чистоту сплава, при этом применяется нейтральный угольный электрод. Так же применяют напыление металлов в вакууме на керамическую подложку.

В домашних условиях можно изготовить термопару, используя для сварки угольный электрод при напряжении не более 36 вольт, можно использовать различные металлы типа меди, нихрома, никелина, серебра, константана, фехрали. Можно так же использовать держатели спирали от ламп накаливания.

Кремниевые диоды так же способны развивать термо-ЭДС, их можно использовать вместо термисторов или термопар, хотя у этих диодов имеется значительный разброс параметров, что может затруднить их применение.

К середине прошлого века были разработаны и выпускались различные термоэлектрические генераторы, работающие от керосиновой лампы. Так же термоэлектрические генераторы пытались применять для получения термоэлектричества в ядерной энергетике, но это было крайне неэффективно, поскольку коэффициент полезного действия термоэлектрических генераторов в лучшем случае достигал трёх процентов.

Подобное устройство описывалось в Американском журнале "Наука и механика", Июнь, 1960 год:

Термоэлектричество имеет ещё одно свойство, которое было открыто в 1834. Часовых дел мастер Пельтье открыл явление, при котором тепло или поглощается, или выделяется в месте контакта двух проводников из разнородных металлов, если в месте контакта течёт электрический ток. Несколькими годами позже Э.Ленц произвёл эксперимент, в котором капля воды помещалась в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При прохождении электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, когда направление тока менялось — лёд таял, это позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, кроме джоулева тепла так же выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Поскольку это явление впервые было обнаружено Пельтье, то оно и получило название по его имени. Термоэлементы, работающие на основе этого явления, называются элементами Пельтье (рис.2).

Рис. 2

Для элементов Пельтье лучшие результаты были получены при использовании пар, изготовленных из полупроводниковых материалов: висмута, сурьмы, сернистого свинца, цинка. Процесс нагрева и охлаждения термоспаев у элементов Пельтье похож на перенос тепла под влиянием приложенной электродействующей силы от одного спая к другому, при этом теплопроводности проводников как бы увеличиваются. "Горячий" и "холодный" спаи так же присущи элементам Пельтье, только здесь напряжение подаётся в замкнутую цепь, образованную разными металлами. "Горячий" спай разогревается, а холодный соответственно охлаждается, чем интенсивнее происходит отвод выделяющегося тепла, тем сильнее охлаждается холодный спай. Если изменить полярность подключения питающего напряжения, то это может привести к разрушению элемента, так как процесс будет протекать с обратной полярностью. Что бы получить большой перепад температур, потребуется эффективный теплоноситель для охлаждения "горячего" спая.