§9-4热电偶
一、热电效应
两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成如 图所示的闭合回路。 当两个接触点(称为结点)温度T和T0不相同时，回路中 即产生电动势，并有电流流过。 热电极 A 热端
TB 热电偶
T0 冷端
这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。
1、接触电动势 (帕尔贴Peltier效应)电子浓度NA>NB EAB(T)
A
NA讨论
B- - -
E AB (T ) E AB (T0 )
kT ln( N A ) e NBkT0 ln( N A ) e NB
接触电势的大小与温度和热电极 的电子密度差有关： 温度越高，接触电势越大； 电子密度差越大，接触电势也 越大。
+++ T
NB
k-波尔曼系数,k=1.38×10-23(J/º C) e-单位电荷,e=4.802×10-10 NA,NB-材料的电子密度
2、温差电动势 (汤姆逊Thomson效应)EA (T,T0)
+++T>T0
热端 T
冷端 T0 讨论
k (T , T0 ) EA ek (T , T0 ) EB e
T
T0T
1 d N A (t )t N A (t )1 d N B (t )t N B (t )
温差电势的大小，取决于 热电极两端的温差： 温差越大，温差电势越 大；
T0
3、总电动势
可以推出：
k T NA E AB (T , T0 ) ln dt T0 AB e N0 B
E (T , T ) f (T ) f (T0 )
讨论
热电偶的电势仅仅是热电偶两端温度(T,T0)函数的 差，当T0=const.时，则热电势仅是T的单值函数。
1、若NA=NB,,则EAB(T,T0)=0 2、若T=T0,则EAB(T,T0)=0 3、当T0=const,
EAB (T , T0 ) f (T ) C
4、热电极的极性1,测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极 为负极。 2,符号E AB (T , T0 ) 中规定写在前面的A和T分别为正极和 高温，写在后面的B和T0分别为负极和低温。 3,若它们的最后位置互换，则热电势的极性就反相。 例：
E E
AB
(T , T0 ) E AB (T0 , T )(T , T0 ) E AB (T , T0 )
BA
证明： EABC (T , T0 ) EAB (T ) EBC (T0 ) ECA (T0 ) EB (T , T0 ) EA (T , T0 )
假定三处同处于一个温度T0,此时只有接触电势：
E ABC (T0 , T0 ) E AB (T0 ) EBC (T0 ) ECA (T0 ) kT0 N A (T0 ) kT0 N B (T0 ) kT0 N C (T0 ) ln ln ln e N B (T0 ) e N C (T0 ) e N A (T0 ) kT0 eT0A
C T0BT
C
N A N B N C ln N N N 0 B C A EBC (T0 ) ECA (T0 ) E AB (T0 ) 代入上式：
E ABC (T , T0 ) E AB (T ) E AB (T0 ) EB (T , T0 ) E A (T , T0 ) E AB (T , T0 )
2、标准
电极定律两种金属构成热电偶的热电势，可以用这两种金属分 别与第三种金属构成的热电势之差来表示 ：
E
AB
(T, T0 ) EAC (T, T0 ) EBC (T, T0 )T0AB=A
T0C -B
T0C
第三种金属
作用
T
T
T
若已知各种金属对标准电极的热电势，即可方便地求出各 种金属搭配成热电偶时的热电势。
(标准热电极定律证明)证明：
E
AB
(T, T0 ) EAC (T, T0 ) EBC (T, T0 )
E AC (T , T0 ) E BC (T , T0 ) k T NA k T NB ln dt ln dt T0 T0 e NC e NC k T NA NB ln ln T0 e NC NC dt
k T N A NC ln N N dt e T0 C B k T NA ln dt E AB (T , T0 ) T0 e NB
3、中间温度定律在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于 该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和。A T B Ta B A T0
EAB (T , T0 ) EAB (T , Ta ) EAB (Ta , T0 )作用：
热电偶补偿导线法就是这个定律的实际应用。
(中间温度定律证明)证明：
EAB (T , T0 ) EAB (T , Ta ) EAB (Ta , T0 )
E AB (T , Ta ) E AB (Ta , T0 ) f AB (T ) f AB (Ta ) f AB (Ta ) f AB (T0 ) f AB (T ) f AB (T0 ) E AB (T , T0 )
4、均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长 度，以及各处的温度分布如何，都不产生热电势。作用：
1、如果热电偶的两根热电极是由均质导体组成，那么，热 电偶的热电势仅与两端温度有关，而与热电极的温度分布无 关。 2、用于检验两根热电极A,A’材料成分是否相同。 3、热电极材料的均匀性。
三、热电偶的种类和结构
1、对热电偶材料的要求 ①热电动势大，测温范围宽，线性好。 ②化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀。 ③电阻温度系数α 小，电阻率ρ 小。 ④易加工，易复制，工艺性和互换性好。 2、 热电极材料类型 (1)一般金属：镍铬-镍硅，铜-康铜，镍铬-镍铝等； (2)贵金属：铂铑-铂 (3)结构形式：普通热电偶，铠装热电偶等
