ЖУРНАЛ СТА 1/2021

Термоэлектрический эффект был открыт случайно в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в про- цессе эксперимента: небольшой кусок висмута припаивался с обоих концов к медной спирали. Если один его конец нагре- вался с помощью лампы, а другой оставался холодным, то магнитная стрелка, помещённая внутрь спирали, поворачи- валась, указывая на прохождение тока, который в холодном спае шёл в направлении от меди к висмуту. Таким образом Зе- ебек экспериментально определил, что, когда концы провод- ника имеют разные температуры, между ними возникает раз- ность потенциалов. Этот эффект назван эффектом Зеебека. Работа ученого показала также, что возникающее напряже- ние всегда пропорционально разнице температур. Его откры- тие вскоре легло в основу создания термопары, которая сего- дня является одним из самых распространённых и экономич- ных датчиков температуры. Итак, Зеебек провёл опыт (рис. 1), в ходе которого выяснил, что разность потенциалов между концами проводника V 12 оказывается пропорциональна разности температур спаев ( T 1 – T 2 ), как это показано в формуле (1). Коэффициент про- порциональности S a в этой зависимости – коэффициент Зеебека, определяемый как термоэлектрическая способность пары. Его также называют коэффициентом термоЭДС. (1) Аналитическое объяснение эффекту Зеебека дают совре- менные теории поведения электронов в молекулярной струк- туре материала. Точный математический описательный аппа- рат очень сложен и обращается к электронной квантовой тео- рии, однако фундаментальная концепция проста. Молеку- лярные структуры электрических проводников таковы, что электроны в материале слабо связаны с их узлами-решётка- ми (ядрами) и могут перемещаться по всему материалу под влиянием приложенной к проводнику разности потенциалов. Когда один конец проводящего материала нагревают до тем- пературы, большей, чем на противоположном конце, элек- троны на горячем конце приобретают бо́льшую энергию, чем электроны на холодном конце. Эти более энергичные элек- троны начинают диффундировать к холодному концу. Про- цесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока воз- V S T T a 12 1 2 . = × − ( ) никшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря че- му установится равновесие. Следовательно, нагрев одного конца проводника вызывает разность потенциалов из-за пе- рераспределения подогретых электронов в материале. Это и есть эффект Зеебека и основной принцип термопар. Формула (1) обеспечивает аналитическое выражение для этого явления, а коэффициент S a в ней скрывает все сложные В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Измерение температуры термопарой Юрий Широков СТА 1/2021 72 www.cta.ru П ЕРВЕНСТВО ОТКРЫТИЯ Знаменитый физик и химик Майкл Фарадей (1791–1867) родился в семье английского кузнеца. В 1831 году Фарадей открыл электро- магнитную индукцию. В том же году независимо от него это открытие совершил амери- канский физик Джозеф Генри (1797–1887), однако все лавры доста- лись Фарадею, поскольку результаты его работ были опубликова- ны первыми. Генри тем не менее прославился многими другими работами. В частности, он известен открытием самоиндукции – явления возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. После смерти Джозефа Генри единица индуктивности получила в его честь название генри. А вот единица измерения электрической ёмкости в Международ- ной системе единиц (СИ) носит название фарад в честь Фарадея. ■ T 1 T 1 > T 2 T 2 Проводящий материал А Разность потенциалов Провода от термопары Измерительная цепь Коннектор S a S c S c S b T x T v T c V tc Рис. 1. Опыт Зеебека с холодным и горячим спаями разных металлов Условные обозначения: T x – измеряемая температура; T c – температура на разъёме вольтметра (предполагается одинаковой для обоих проводов); T v – внутренняя температура всех элементов цепи вольтметра; S a – коэффициент Зеебека материала термопары а ; S b – коэффициент Зеебека материала термопары b ; S c – коэффициент Зеебека проводников, используемых в цепи измерения напряжения; V TC – напряжение разомкнутой цепи термопары. Измерительная цепь измеряет V TC . Чтобы минимизировать ток контура, цепь имеет высокий импеданс. Рис. 2. Подключение термопары для измерения температуры