Термоэлектричество. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Если измерить выделяющуюся теплоту при том или другом физическом процессе, то можно судить как о наличии процесса, так и об интенсивности его протекания. Оперировать электрическими величинами при этом несравненно удобнее.

Термоэлектрические датчики позволяют проводить измерения в широчайшем диапазоне температур - от активной зоны атомного котла до глубин космоса. По способу преобразования датчики можно разделить на группы. К одной группе относятся датчики, изменяющие свое омическое сопротивление от влияния теплоты. Это так называемые терморезисторы, или термисторы.

РТС-термисторы (Positive Temperature Coefficient) - полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом. Они резко увеличивают свое сопротивление при превышении некоторой характеристической температуры и применяются в автомобильных сетях электропитания для защиты от бросков тока, как защита компрессоров холодильных установок, в качестве самовосстанавливающихся предохранителей и в ряде других случаев.

NTC-термисторы (Negative Temperature Coefficient) - полупроводниковые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом. Конструктивно они оформлены в виде дисков и применяются для температурной компенсации электронных цепей, ограничения пускового тока и пр. Кривая изменения сопротивления линейна лишь на некоторых участках изменения температуры, а диапазон рабочих температур - -40...+200°С.

В данной подгруппе следует особо выделить NTC-термисторы ТРА-1 и ТРА-2, выполненные на основе монокристаллов искусственного алмаза, которые отличаются долговременной стабильностью параметров и уникально малой тепловой инерционностью. Незначительные размеры (диаметр 1,2 мм) позволяют встраивать их, к примеру, в стержень паяльника. Диапазон рабочих температур - 80...600°К.

Датчики на основе термисторов энергозависимы, т.е. требуют наличия измерительного напряжения.

К другой обширной группе относятся термопары, т.е. термодатчики, в которых появляется ЭДС в месте контакта двух разнородных металлов (рис. 1). Датчики данного типа энергонезависимы, т.к. при нагревании места соединения появляющаяся термоЭДС вполне достаточна для измерений.

Рис. 1

Если соединить два конца проводников из разнородных металлов и затем нагреть место спая, то на свободных концах можно наблюдать появление ЭДС. Величина контактной термоЭДС не зависит ни от площади контакта, ни от формы проводников, а определяется лишь тем, какие металлы соприкасаются и какова их температура. В практике применения термопар принято различать два соединения проводников - горячий и холодный спаи. Горячий спай - соединение, находящееся в зоне нагрева, а холодный - вне измеряемой зоны. В данном случае название холодный "спай" - чисто условное, т.к. электрическая цепь замыкается через импеданс цепи измерения (прибора). Если замкнуть оба конца холодного спая, то величина термоЭДС будет равна нулю. Аналогично, если нагреть равномерно оба спая, то возмущающие силы будут уравновешены электрическими. Величина ЭДС описывается простой формулой:

Е_Т=К_Т(Т1-Т2), (1)

где К_т - постоянный коэффициент.

Из формулы (1) следует, что термоЭДС пропорциональна разности температур разнородных металлов. Коэффициент пропорциональности К_T называется удельной термоЭДС, и его значения для сочетания различных металлов и их сплавов различны. Например, для соединения медь-константан К_T=53*10^-3 мВ/°С, для соединения серебро-платина К_T=12*10^-3 мВ/°С. Для получения контактной термоЭДС металлы следует соединять свариванием-сплавлением нейтральным (угольным) электродом (лучше в среде инертного газа или в вакууме, дабы исключить попадание в спай даже молекул постороннего вещества). Хорошие результаты дает соединение вакуумным напылением на нейтральную подложку из кварцевого стекла или керамики. Так что слово "спай" в этом случае - чисто условное.

В любительских условиях можно изготовить неплохую термопару, если сварить угольным электродом (напряжение не выше 36 В) две проволоки, сочетая медь, константан, нихром, фехраль, никелин и серебро. Можно применить проволочные стойки от электролампы.

Альтернативной заменой как термисторов, так и термопар могут явиться кремниевые диоды, причем развиваемая ими термоЭДС вполне достаточна для практического применения. Недостаток - большой разброс параметров и сложности в организации выводов.

В 30-х...50-х годах XX века было выпущено большое количество термоэлектрических генераторов, работавших от различного типа теплоносителей (керосиновой лампы, керогаза и даже костра). Термогенераторы были применены и на атомной электростанции. Интерес к их широкому использованию постепенно ослаб ввиду очень низкого КПД, в лучшем случае, едва достигавшего 3%. Правда, не так давно японские специалисты разработали генератор-браслет, работающий от тепла человеческого тела и питающий транзисторный приемник К сожалению, дешевые алкалиновые элементы и никель-кадмиевые аккумуляторы "закрыли" развитие термогенераторов.

Существует еще одно применение термоэлектричества, вернее, явления, открытого в 1834 году часовщиком Пельтье, обратившим внимание на температурные аномалии, возникавшие вблизи спая двух проводников из разнородных металлов при прохождении через них электрического тока. Позднее Э.Х.Ленцем была исследована и объяснена природа этого явления.

В опыте Ленца в углублении на стыке двух проводников из висмута и сурьмы помещалась капля воды, которая при прохождении тока в одном направлении замерзала, при другом - закипала. Явление, впервые обнаруженное Пельтье, получило название эффекта Пельтье, а термоэлектрические элементы, выполненные на этой основе - элементами Пельтье (рис. 2).

Рис. 2

При изготовлении элементов наилучшие результаты были получены при соединении пар из полупроводниковых материалов: сернистого свинца, висмута, сурьмы, цинка. В элементах Пельтье процесс нагрева и охлаждения спаев можно рассматривать, как перенос тепла под влиянием приложенной ЭДС от одного спая к другому и как бы увеличения при этом теплопроводности проводников В элементах Пельтье существуют горячий и холодный спай, но напряжение подается в замкнутую цепь из разнородных металлов. Происходит разогрев горячего спая и охлаждение холодного, и чем интенсивнее отводится выделяющееся тепло, тем сильнее охлаждается холодный спай. При изменении полярности напряжения питания процесс также меняет знак, что может привести к разрушению элемента. Для получения значительного перепада температур нужен хороший теплоноситель для эффективного охлаждения горячего спая.

В настоящее время (по каталогу ЧИП-ДИП) предлагаются элементы Пельтье для охлаждения РЭА и иных целей, где КПД не играет существенной роли.

Литература

1. А.Ф Иоффе. Полупроводниковые термоэлементы. - РАН.
2. Б.С. Поздняков, Е.А. Коптелов. Термоэлектрическая энергетика. - Атомиздат, 1974 г.

Автор: И.Семенов, г.Дубна, Московской обл.

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Кратковременное голодание и работа мозга 25.11.2025

На фоне роста популярности интервального голодания многие опасаются, что отказ от еды на несколько часов может обернуться снижением концентрации, ухудшением памяти и общим "затуманиванием" сознания. Однако современные исследования позволяют иначе взглянуть на эту тему. Научный обзор, включивший свыше семидесяти независимых экспериментов и более 3,5 тысячи участников, показал: здоровые взрослые, которые не ели от десяти до двенадцати часов, выполняли когнитивные тесты так же качественно, как и те, кто принимал пищу перед испытанием. Память, скорость реакции, логическое мышление и внимание оставались на прежнем уровне, что опровергает распространенный бытовой миф. Доктор Дэвид Моро, профессор психологии из Университета Окленда в Новой Зеландии, подчеркивает, что представления о "головной туманности" во время голода часто оказываются преувеличенными. Он отмечает, что люди склонны связывать чувство голода с низкой энергией, раздражительностью и невозможностью сосредоточиться, хотя че ...>>

Умная розетка TP-Link Tapo P410M 25.11.2025

Компания TP-Link выпустила на рынок новую уличную розетку Tapo P410M. Она получила поддержку универсального стандарта Matter и стала еще одним шагом в сторону единой экосистемы умных устройств. Особенность Tapo P410M заключается в том, что она рассчитана на работу в сложных климатических условиях. Устройство функционирует при температуре от -20 до +50 °C и защищено от дождя, влаги и пыли по стандарту IP54. Благодаря этому розетка безопасно используется на открытом воздухе, будь то внутренний двор, садовая зона или наружное освещение возле дома. Компания TP-Link также акцентировала внимание на удобстве подключения. Розетка поддерживает Wi-Fi 2,4 ГГц и Bluetooth LE, что избавляет от необходимости покупать отдельный хаб. Настройка выполняется через фирменное приложение Tapo или с использованием QR-кода на корпусе, что особенно удобно при установке в труднодоступных местах. После первичной конфигурации управление устройством доступно из приложения или с помощью голосовых помощников A ...>>

Игровой монитор Sony PlayStation Gaming Monitor 24.11.2025

На презентации State of Play компания Sony представила устройство, которое может изменить представления о фирменной экосистеме PlayStation, - свой первый игровой монитор под этим брендом. PlayStation Gaming Monitor, как официально назвали новинку, ориентирован сразу на две аудитории: владельцев консолей и пользователей ПК. Для компьютерных систем, включая macOS, поддерживается частота обновления до 240 Гц с технологией переменной частоты VRR, а для консолей PlayStation 5 и PlayStation 5 Pro частота ограничена 120 Гц, что соответствует архитектуре и возможностям самих приставок. Основу устройства составляет 27-дюймовая IPS-панель с разрешением QHD 2560?1440 пикселей, обеспечивающая высокую четкость и широкий угол обзора. Отдельное внимание продукция заслужила благодаря функции, не встречавшейся ранее в мониторах Sony. В нижней части корпуса находится встроенная выдвижная док-станция для беспроводной зарядки контроллеров DualSense. Такой подход позволяет избавиться от отдельных зар ...>>

Случайная новость из Архива Электричество из грибов и деревянного пола 01.04.2021 Древесина состоит из волокон полимеров целлюлозы и гемицеллюлозы в матрице лигнина. Целлюлоза в составе древесины может быть аморфной и кристаллической. Наличие последней делает древесину пьезоэлектриком - материалом, в котором под действием деформации возникают электрические заряды. При сжатии кристаллитов целлюлозы центры тяжести положительных и отрицательных зарядов расходятся в пространстве, и для соблюдения электростатического равновесия на поверхности кристаллита возникают заряды. О пьезоэлектрических свойствах древесины известно с пятидесятых годов, но коммерческие материалы и устройства для получения электричества из нее никто не делал - из-за низкого пьезоэлектрического модуля и деформируемости древесины это считалось нерентабельным. Усилить пьезоэлектрические свойства древесины сумели швейцарские ученые под руководством Инго Бюргерта (Ingo Burgert) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Бюргерт и его коллеги уже давно умеют менять свойства древесины и получать на ее основе различные функциональные материалы. Например, в прошлом году они превратили бальзовое дерево в светящийся материал, растворив лигнин и заменив его на раствор люминесцентных квантовых точек. Чтобы сделать древесину хорошим пьезоэлектриком, тоже нужно растворить лигнин, тогда древесина станет более рыхлой, и ее будет проще деформировать. Для того чтобы провести растворение мягко, не повредив целлюлозный каркас, Бюргерт и его коллеги предложили неожиданное решение - обработали древесину грибами отдела базидиомицетов. За основу материала ученые вновь взяли легкую древесину бальзового дерева (Ochroma pyramidale) с плотностью 94,8 килограмма на кубический метр. Для растворения лигнина использовали три вида грибов: Phanerochaete chrysosporium, Ganoderma adspersum, и Ganoderma applanatum. Древесину резали на тонкие пластинки, сушили при температуре 100 градусов в течение суток, наносили на поверхность свежеприготовленную культуру грибов и оставляли во влажной атмосфере на срок от 4 до 12 недель. Чтобы контролировать, сколько лигнина успели поглотить грибы, образцы древесины тщательно очищали и вновь сушили в течение суток, а затем взвешивали. Самую быструю потерю лигнина обеспечили грибы Ganoderma applanatum. Оптимальным временем обработки Бюргерт и его коллеги посчитали восемь недель (что соответствует потере массы в 45 процентов в основном за счет лигнина) - при более длительной обработке древесина становилась слишком рыхлой и существенно теряла в прочности. Метод Фурье-ИК-спектроскопии подтвердил что грибы преимущественно поглощают лигнин, также наблюдалась небольшая потеря гемицеллюлозы. А вот целлюлозный каркас древесины оставался после обработки практически неизменным - это было хорошо видно не только на ИК-спектрах, но и на снимках сканирующей электронной микроскопии. Лишенная лигнина древесина имела лучшую сжимаемость. В результате смещение центров тяжести заряда в кристаллитах целлюлозы происходило с большей амплитудой, и пьезоэлектрический эффект тоже усилился. Кубик обработанной древесины размером 15 х 15 х 13,2 миллиметров генерировал напряжение в 0,87 вольта и силу тока в 13,3 наноампера. Это в пятьдесят пять раз больше, чем у немодифицированной древесины в тех же условиях. Соединив девять таких кубиков последовательно, авторы получили электроэнергию, достаточную для питания светоизлучающего диода. Из нового материала авторы предлагают сделать напольное покрытие, которое будет производить электроэнергию под тяжестью шагов человека. Такое покрытие можно будет поместить в домах пожилых людей и питать от него датчики, которые активируются, если человек упал. Есть и более экзотические идеи по использованию пьезоэлектрических древесных полов в помещениях для занятий танцами и аэробикой. Отметим, что пока Бюргерт и его коллеги получили пьезоэлектрик только из бальзовой древесины - легкой и с большим количеством пор. В дальнейшем они собираются адаптировать метод для более плотных и тяжелых видов древесины.

Другие интересные новости:

▪ Экшен-камера Toshiba Camileo X-Sports

▪ Очищенная вода может стать токсичной

▪ Сверхвысокое давление новым способом

▪ Мужчинам не стоит выпивать после спортзала

▪ Ethernet-коммутаторы Microchip SparX-5

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Технологии радиолюбителя. Подборка статей

▪ статья Автожир на корде. Советы моделисту

▪ статья Зачем в 19 веке англичане документально присвоили острову статус корабля? Подробный ответ

▪ статья Чистильщик обуви. Должностная инструкция

▪ статья Сирена. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Переносная горелка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025