ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

Теплопроводность и термоэлектрические эффекты – группа явлений, соответствующая переносу теплоты и заряда, часто используется для определения электрофизических параметров проводящих материалов.

Теплопроводность материалов зависит от наличия в них примесей, дефектов, вида переносчиков теплоты (фононы, электроны и др.) и механизма их рассеяния. Поэтому измерение коэффициента теплопроводности позволяет не только оценить параметры теплового режима, но и контролировать качество материала.

Коэффициент теплопроводности c определяет количество теплоты, переносимой через единичное сечение при наличии нормального к сечению градиента температуры, численно равного 1 К/м. Поток теплоты Q через сечение S:

где D Т - разность температур между двумя точками;

l - расстояние между этими точками.

Существуют абсолютный и относительный методы определения коэффициента теплопроводности.

В абсолютном методе используется непосредственно данное соотношение. При этом необходимо создать условия для задания определенного теплового потока в исследуемом материале и обеспечить достаточно точное измерение всех параметров, необходимых для вычислений. Типичная схема измерений, позволяющая выполнить эти требования, приведена на рис. 5.1.

Образец 1 с нагревателем и датчиками, размещенный в вакуумируемом сосуде, зажат между металлическими блоками 2 и 3, изготовленными из материала с высокой теплопроводностью (Cu, Ag, Al), в которые вставлены (зажаты в специальных вырезах) датчики температур 4 «холодной» и «горячей» сторон образца. В блок 3 вмонтирован электронагреватель 5, тепловая мощность которого рассчитывается по измеряемым во внешней цепи току и напряжению питания (Q = IU). Отсутствие газов в объеме обеспечивает отсутствие заметных потерь теплоты через боковые поверхности образца и блоков (не устраняемое при этом тепловое излучение остается основным источником погрешности, поэтому для его уменьшения иногда дополнительно устанавливают тепловые экраны). Для уменьшения погрешности измерения проводят на малом перепаде температур и используют образцы большого сечения и малой длины.

В относительном методе используется принцип сравнения: один и тот же тепловой поток проходит через образцы двух материалов, потери теплоты на боковых поверхностях вводят в расчет (в первом приближении они не влияют на результат измерений). Удаление воздуха не требуется и точность измерений достаточно высока (хотя меньше, чем в абсолютном методе).

К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты возникновения электродвижущей силы при создании разности температур между двумя контактными областями (явление термо-ЭДС или эффект Зеебека), выделения или поглощения теплоты в контактах (эффект Пельтье), дополнительное по отношению к эффекту Джоуля-Ленца выделение или поглощение теплоты в объеме материала при пропускании через него тока в условиях градиента температуры (эффект Томсона).

Сущность эффекта Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных различных материалов, возникает ЭДС, если места контактов поддерживаются при различных температурах. В небольшом интервале температур величину термо-ЭДС Е можно считать пропорциональной разности температур и коэффициенту Зеебека:

,

где Т - температура «горячего» контакта;

Т ₀ - температура «холодного» контакта;

a - удельная (дифференциальная) термо-ЭДС (коэффициент Зеебека), которая зависит в первую очередь от свойств материала, но также от температуры.

Эффект Пельтье - эффект, обратный эффекту Зеебека. Сущность его состоит в том, что при прохождении тока в цепи, состоящей из различных проводников, в местах контактов в дополнение к джоулевой теплоте выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество тепла Q _П, пропорциональное прошедшему через контакт количеству электричества и коэффициенту Пельтье:

,

где t - время;

I - сила тока;

П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов.

Коэффициент Зеебека связан с коэффициентом Пельтье следующим соотношением:

.

Эффект Томсона заключается в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, существует перепад температур, то в дополнение к джоулевой теплоте в объеме проводника выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла Q _T, пропорциональное силе тока I, времени t, перепаду температур (Т - Т ₀) и коэффициенту Томсона, зависящему от природы материала:

.

Коэффициент Зеебека для пары проводников связан с коэффициентом Томсона t следующим соотношением:

.

Для нахождения a достаточно задать некоторую разность температур между контактами и определить возникающую между ними разность потенциалов U (a = U / D T), причем величина D T должна быть достаточно малой, чтобы зависимость a от Т не сказывалась на получаемом значении.

В большинстве случаев основой измерительной системы является образец, зажатый между двумя металлическими блоками, в один из которых вмонтирован нагреватель (рис. 5.2). Две термопары прижимаются (припаиваются) чаще всего непосредственно к образцу. Вольтметр V ₁ служит для измерения ЭДС термопары «горячего» участка (температура точки 1), вольтметр V ₂ - для измерения ЭДС термопары «холодного» участка (температура точки 2), вольтметр V измеряет разность потенциалов между точками 1 и 2.

Поиск по сайту: