Учебное пособие 1410

Знак «+» указывает, что ток течет от свинца к данному металлу через более нагретый спай, а знак «-» - через холодный спай.

Приведенные здесь значения условны, так как термоЭДС чувствительна к микропримесям и к ориентации кристаллических зёрен.

Эффект Пельтье. Если в цепи, состоящей из разнородных проводников проходит постоянный электрический ток I, то в местах контакта, как и в любых других участках цепи, выделяется джоулево тепло Qдж = I2Rt, где R - сопротивление контакта, t - время. Вместе с тем, кроме джоулева тепла, выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительная теплота, вызывающая в первом случае нагревание, а во втором случае - охлаждение контакта. Это явление было открыто в 1834 г. Ж. Пельтье и называется эффектом Пельтье, а дополнительная теплота, выделяемая или поглощаемая в контакте, - теплотой Пельтье, Qп. Она пропорциональна силе тока и времени его прохождения через контакт:

Коэффициент пропорциональности П называется коэффициентом Пельтье. Его значение зависит от природы соприкасающихся проводников и температуры.

Между эффектами Пельтье и Зеебека существует непосредственная связь: разность температур вызывает в цепи, состоящей из разнородных проводников, электрический ток, а ток, проходящий через такую цепь, создает разность температур. Количественно эта связь была установлена У. Томсоном, создавшим термодинамическую теорию термоэлектрических явлений. Он показал, что

9

Эффект Пельтье возникает вследствие различия средних энергий электронов проводимости в разнородных материалах, приведенных в контакт. Поскольку в электрическом поле происходит направленное перемещение электронов проводимости, а средняя их энергия в каждом металле имеет конкретное и постоянное значение, то перешедшие через контакт электроны поглощают или отдают избыток энергии, охлаждая или нагревая тем самым контактную зону.

Эффект Томсона. Если через однородный проводник, вдоль которого существует градиент температуры dT/dx, проходит постоянный электрический ток силой I, то в зависимости от направления в таком проводнике, кроме джоулева тепла, должно выделиться или поглотиться дополнительное количество теплоты Qτ, пропорциональное силе тока I, перепаду температур (T2 – T1) и времени t;

Теплоту Qτ называют теплотой Томсона, а коэффициент пропорциональности τ - коэффициентом Томсона. Он зависит от природы проводника и температуры. Согласно теории У. Томсона, разность коэффициентов Томсона для двух проводников связана с их дифференциальной термоЭДС соотношением

. (1.10)

Возникновение эффекта Томсона обусловлено тем, что при наличии в проводнике градиента температуры поток носителей тока, вызванный внешней разностью потенциалов, переносит не только электрический заряд, но и теплоту. Так, если электрический ток в проводнике течет в направлении, соответствующем перемещению от горячего конца к холодному, то

10

«нагретые» электроны переходят в более холодные участки проводника, отдают решетке избыточную энергию и вызывают нагревание проводника. При обратном направлении тока проводник охлаждается.

При количественном описании эффекта Томсона следует учитывать наличие в проводнике термоЭДС, которая в первом случае будет тормозить электроны, во втором случае - ускорять. Эта термоЭДС может привести не только к изменению величины, но и знака коэффициента Томсона, так как

. (1.11)

В металловедении метод термоЭДС широко применяется для изучения процессов естественного и искусственного старения, отпуска, а также напряженных состояний металлов и сплавов. Этот метод используется и при идентификации присутствующих в сплаве фаз.

Методика измерения термоЭДС

Для практического определения дифференциальной термоЭДС необходимо к любым двум точкам исследуемого образца с известными температурами Т1 и Т2 подвести два электрода, изготовленных из одного и того же металла и подключенных к высокоомному прибору для измерения термоЭДС U(T), развиваемой при разности температур Т1 - Т2. Дифференциальную термоЭДС исследуемой пары при средней температуре T = 0,5(T1 + T2) находят по уравнению

где T1 > T2.

11

Изучение температурной зависимости термоЭДС проводится на образце, выданном преподавателем.

Измерения осуществляют на установке (рис. 1.3), состоящей из нагревательных элементов, регуляторов напряжения, нагревателей, переключателя измерительных цепей и компенсационного потенциометра КП, в качестве которого используют высокоомный потенциометр Р-307.

Образец 10 находится между двумя хромель (Хр) - алюмелевыми (Ал) термопарами. Надежный электрический контакт Хр-Ал термопары с образцом обеспечивается посредством поджимающей пружины 4, установленной в одной из направляющих втулок 6, закрепленных на боковых крышках 7 печи сопротивления. Печь опирается на шайбу 5, жестко соединенную с чехлом данной термопары.

Температурный перепад T = T2 – T1 в образце достигается двумя нагревателями 2 и 3, один из которых расположен асимметрично. Остальные обозначения на рис. 1.3 соответствуют: 1 - теплоизолятору, 8 - корпусу печи.

Рис. 1.3. Конструкция теплового узла установки для измерения термоЭДС: 1- теплоизолятор; 2, 3 - нагреватели; 4 - пружина; 5 - шайба; 6 - направляющие втулки; 7 - боковые крышки; 8 - корпус печи; 9 - винт крепления термопары; 10 - исследуемый образец

12

ТермоЭДС α определяется по уравнению (1.12) и считается постоянной в интервале температур ∆Т.

Зондами при измерении U(T) служит проволока самих термопар, горячие спаи которых имеют электрический контакт с образцом. Поэтому измеряемая термоЭДС αМе–Хр и αМе–Ал по правилу аддитивности описывается соотношениями

Рис. 1.5. Зависимость абсолютной термоЭДС некоторых металлов от температуры

Здесь αМ, αХр, αАл - значения абсолютных термоЭДС, соответственно, исследуемого металла, хромеля и алюмеля. Для нахождения значения абсолютной термоЭДС исследуемого

14

вещества достаточно знать αХр, αАл при соответствующих температурах. Эта информация представлена на графике (рис. 1.5).

Задание на работу

1.Ознакомиться с устройством установки для измерения термоЭДС.

2.Измерить термоЭДС никелевого образца при трехчетырех значениях температуры в интервале 400-800 К.

3.Рассчитать по уравнению (1.14) значения абсолютной термоЭДС исследуемого материала и построить графическую зависимость αМ = f(T). Объяснить температурный ход кривой

αМ = f(T).

Порядок выполнения работы

1.Включить установку с помощью общего выключателя, расположенного на передней панели лабораторного стола.

2.Установить с помощью автотрансформаторов, закрепленных на панели пульта управления, напряжение нагре-

вателей V1 = 0 и V2 = 15 В. При измерении V2 тумблер переключателя П1 должен находится в нижнем положении, а V1 - в верхнем.

3.Через 20 мин после выполнения требований пункта 2

спомощью высокоомного моста P-307 и хромель-алюмелевых

термопар измерить температуру на холодном Т1 и горячем Т2 концах исследуемого образца. При этом переключатель П2 на пульте управления должен соответствовать положению «+», а

П3 - положению «Т». Перевод полученных значений Е(Т) хро- мель-алюмелевых термопар в градусы Кельвина производить по соответствующей таблице или графику. При измерении

температуры холодного конца образца Е(Т1) переключатель потенциометра Р-307 должен находиться в положении «Х1», а при измерении Е(Т2) - в положении «Х2».

15

4. После определения Е(Ti) и соответствующих им значений T1 и T2 с помощью потенциометра Р-307 находится термоЭДС исследуемого образца. Для этого необходимо переключатель П2 на пульте управления поставить в положение «U1,2»; переключатель потенциометра Р-307 поставить в положение «X1» или «Х2» (по выбору). В первом случае термоЭДС замеряется относительно алюмеля, во втором - хромеля.

Если термоЭДС исследуемого образца не удается скомпенсировать с помощью моста Р-307, то нужно поставить переключатель П3 на пульте управления в положение «–». При этом термоЭДС образца будет иметь отрицательный знак.

5. Найденные (см. п.п. 3 и 4) значения U1, U2, E(T1), E(T2), T1, T2 занести в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Экспериментальные и расчетные данные для определения термоЭДС образца

6.Повторить измерения (п.п. 3-5) не менее двух раз с интервалом 5-6 мин. Измерения при данном режиме закончить, если результаты последних трех измерений совпадут с точностью ± 1%.

7.Провести аналогичные измерения (см. п.п. 3-6) для

новых температурных условий. При этом напряжения V1 и V2 на нагревателях печи для соответствующих средних температур должны приближенно быть равны следующим значениям:

Таблица 1.3

16

8.По уравнению (1.14) с учетом данных рис. 1.5 рассчитать значения абсолютных термоЭДС металла при исследуемых температурах. Результат занести в табл. 1.2.

9.Выключить установку (общий выключатель на пульте управления) и освободить от фиксированного положения кнопку «точно» потенциометра Р-307.

Требования к отчету

1.Привести принципиальную электрическую схему установки.

2.Оформить результаты измерений и расчетов в виде таблиц и графиков.

3.Построить график зависимости α = f(T). Объяснить ход кривой α = f(T).

Контрольные вопросы:

1.В чем заключается эффект Томсона?

2.Что такое эффект Пельтье?

3.Что такое эффект Зеебека?

4.Что называют термоэлектрическими явлениями?

5.Причина появления эффектов Томсона, Пельтье и Зе-

ебека.

6.Как связаны между собой эффекты Томсона, Пельтье

иЗеебека?

7. Составляющие термоЭДС

8. Чему равна сумма напряжений в замкнутом контуре (цепи)?

9. О чем говорит объемная составляющая термоЭДС?

10. Назовите материалы для изготовления термопар.

11. Как строится градуировочная кривая?

17

2.2. Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ

Цель работы: экспериментальное изучение работы термоэлектрического преобразователя в режиме теплового насоса для охлаждения рабочего вещества.

Введение

Физической основой работы термоэлектрических преобразователей служат следующие экспериментально установленные эффекты.

Эффект Зеебека. Если концы (спаи) разомкнутой цепи (рис.1, поз. 3, 3'), составленной из разнородных проводников (1, 2) находятся при различной температуре, то в цепи появляется электродвижущая сила – термоЭДС dE:

где α - коэффициент термоЭДС, зависящий от материала электродов, образующих цепь.

Эффект Пельтье. Если по той же цепи пропускать ток I от источника 4, то на границе разнородных электродов (на спае) выделяется (горячий спай) или поглощается (холодный спай) тепловая энергия (теплота Пельтье) с мощностью

где П - коэффициент Пельтье, связанный с коэффициентом термоЭДС спая зависимостью

18