Эффект Зеебека и термопара

В 1821 году эстонско-немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, проводя опыты с замкнутой цепью из двух разных металлов, заметил, что стрелка магнитной иглы рядом с цепью отклоняется, как только один из спаев нагревается. Зеебек ошибочно посчитал это магнитным явлением и назвал его «термомагнетизмом», но природа открытия была чисто электрической: в цепи возникает ток за счёт термоЭДС, появляющейся между двумя разнородными проводниками при разности температур. Так был обнаружен эффект Зеебека - первое из трёх термоэлектрических явлений (Зеебека, Пельтье и Томсона) и физическая основа всех термопар, которыми сегодня измеряют температуру от криогенной до плавильной.
Что такое эффект Зеебека
Если два разных проводника и соединить в замкнутую цепь так, чтобы получились два спая, и поддерживать между этими спаями разность температур , то в цепи возникает электродвижущая сила. Для малых она линейно зависит от разности температур:
Коэффициент пропорциональности называется относительным коэффициентом Зеебека пары - и измеряется в В/К (на практике - в мкВ/К). У большинства металлических пар лежит в диапазоне мкВ/К; у полупроводников BiTe или PbTe - на два порядка выше, до сотен мкВ/К. Знак определяется тем, какой металл «гонит» электроны в горячую сторону, а какой - в холодную.
Микроскопическая природа
На уровне электронов эффект Зеебека возникает из-за двух механизмов. Во-первых, в горячем конце проводника электроны имеют большую среднюю кинетическую энергию и диффундируют в холодный конец быстрее, чем обратно - возникает градиент концентрации и связанное с ним электрическое поле. Во-вторых, у разных металлов разная плотность состояний у уровня Ферми и разная зависимость подвижности от энергии - поэтому в цепи из двух разных проводников эти диффузионные потоки не уравновешивают друг друга, и накапливается термоЭДС. Дополнительный вклад в полупроводниках даёт увлечение электронов фононами (phonon drag): фононы передают импульс носителям заряда и сдвигают распределение по энергиям. Поэтому термоЭДС зависит не только от природы материалов, но и от чистоты и кристаллической структуры - для прецизионных измерений нужны хорошо отожжённые провода стандартизированного состава.
Абсолютный и относительный коэффициент Зеебека
В формуле выше - относительный коэффициент пары. У отдельного проводника определяют абсолютный коэффициент : ЭДС, возникающую на концах однородного образца при единичном градиенте температуры. Тогда
Прямо измерить нельзя - в любой цепи есть второй проводник, и появится разность. Поэтому исторически в качестве опорного материала выбрали свинец (Pb): его абсолютный коэффициент Зеебека малый ( мкВ/К при К) и хорошо вычислен из эффекта Томсона и сверхпроводящего перехода в свинце ниже К (где термоЭДС обнуляется). Таблицы для всех практически важных металлов отсчитываются от свинца.
Чтобы быстро прикинуть, какую ЭДС даст конкретная термопара при заданной разности температур или, наоборот, найти по измеренному напряжению, удобно собрать запрос ниже - там же есть пресеты для самых ходовых пар и поправка на холодный спай.
Стандартные типы термопар
Промышленность работает с восемью стандартизированными парами; в России и большей части мира они описаны в МЭК 60584 (IEC 60584, в РФ - ГОСТ Р 8.585). Каждой паре присвоена буква:
- Тип K (хромель/алюмель, Ni-Cr/Ni-Al) - рабочая лошадка, диапазон , чувствительность около мкВ/К при комнатной температуре. Дешёвая, устойчивая к окислению, ставится в печах, газовых турбинах, котлах.
- Тип J (железо/константан, Fe/Cu-Ni) - , чувствительность мкВ/К. Высокая ЭДС, но железо корродирует во влажной атмосфере, поэтому только в восстановительной или нейтральной среде.
- Тип T (медь/константан, Cu/Cu-Ni) - , мкВ/К. Лучшая стабильность и точность при низких температурах, используется в криогенике и пищевой промышленности.
- Тип S (платина-родий/платина, Pt-10%Rh/Pt) - , всего мкВ/К, но высочайшая стабильность и точность. Эталонная пара, по ней градуируют шкалу МТШ-90 от до точки плавления золота. Применяется в металлургии, стекловарении, точных лабораторных печах.
- Тип E (хромель/константан, Ni-Cr/Cu-Ni) - самая высокая ЭДС среди базовых типов, мкВ/К, диапазон . Часто в криогенных измерениях.
- Тип B (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh) - для очень высоких температур до .
Зависимость для каждого типа задаётся полиномом МЭК 60584 (степени до 9), а не линейной формулой - линейное приближение работает только в узком диапазоне вокруг калибровочной точки.
Компенсация холодного спая
Главная техническая тонкость термопары: измеряется не температура горячего конца, а разность температур между двумя спаями. Чтобы получить абсолютную температуру, нужно точно знать температуру холодного спая. Раньше его держали в смеси льда и воды при - отсюда термин «эталонный спай 0 °C» в таблицах МЭК. Современные приборы используют электронную компенсацию холодного спая (cold junction compensation, CJC): измеряют температуру клеммной колодки полупроводниковым датчиком и программно прибавляют соответствующее напряжение. Ошибка в температуре холодного спая на 1 К напрямую переходит в ошибку - клеммная колодка должна быть теплоизолирована, а датчик CJC установлен максимально близко к ней.
Термоэлектрические генераторы
Эффект Зеебека позволяет напрямую превращать тепло в электричество без движущихся частей. Устройства называются термоэлектрическими генераторами (TEG) и собираются из пар полупроводниковых столбиков - и -типа, электрически последовательных, термически параллельных. КПД ограничен пределом Карно и эффективностью материала, которую характеризует безразмерная добротность , где - электропроводность, - теплопроводность. У BiTe , у SnSe рекордные при К.
Самое известное применение TEG - радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) на космических аппаратах. На борту Voyager-1 и Voyager-2, запущенных в 1977 году, плутоний-238 разогревает горячие спаи РИТЭГ до К; холодные спаи излучают в космос. Через эффект Зеебека получаются десятки-сотни ватт электричества - без движущихся частей, на десятилетия. Те же генераторы стоят на марсоходах Curiosity и Perseverance. На Земле TEG используют для утилизации waste heat в выхлопе ДВС и для питания удалённых датчиков от тепла трубопроводов.
Бытовые применения
Эффектом Зеебека работают и куда более прозаичные устройства. В газовых плитах и колонках установлена термопара, удерживающая клапан подачи газа открытым только пока пламя горит: погасло пламя - термопара остыла - ЭДС упала ниже порога - электромагнит отпустил клапан - газ перекрылся. Простейшая полностью пассивная защита; аналогичные термопары стоят в системах безопасности котлов.
Отличие от эффекта Пельтье и Томсона
Эффект Зеебека - прямое явление: температура → напряжение. Обратное явление - эффект Пельтье: пропускаем ток через спай двух разных проводников и получаем нагрев или охлаждение, в зависимости от направления тока. Кельвин в 1854 году вывел из термодинамики жёсткую связь: , где - коэффициент Пельтье спая, - абсолютная температура. Подробнее об обратном эффекте - в посте про эффект Пельтье. Третий эффект, Томсона (1851), проявляется в однородном проводнике с градиентом температуры при пропускании тока: , где - коэффициент Томсона. Все три коэффициента связаны соотношениями Кельвина и - это означает, что любой термоэлектрический материал работает «во все три стороны» одновременно.
Частые ошибки
- Думают, что термопара измеряет температуру горячего конца напрямую. Нет - она измеряет разность температур между двумя спаями. Без знания температуры холодного спая абсолютную температуру восстановить нельзя.
- Применяют линейную формулу во всём диапазоне. Работает только при малых возле точки калибровки. Для широкого диапазона нужен полином МЭК 60584 - иначе ошибка достигает десятков градусов на концах диапазона.
- Игнорируют ошибку компенсации холодного спая. Полупроводниковый датчик CJC даёт точность - она напрямую переходит в полную ошибку измерения.
- Сравнивают разные типы термопар по абсолютной ЭДС. Это бессмысленно: тип S даёт всего мкВ/К, но стабильнее и точнее типа K с его мкВ/К. Выбор пары - по диапазону температур, среде и требуемой точности, а не по чувствительности.
FAQ
Кто и когда открыл эффект Зеебека? Томас Иоганн Зеебек в 1821 году в Берлине. Он работал с замкнутой цепью из меди и висмута и заметил отклонение магнитной стрелки при нагреве одного из спаев. Природу явления - наличие тока, а не магнетизма - установили позже работы Эрстеда и Ампера.
Какая разница между термопарой типа K и типа T? Тип K (хромель/алюмель) - широкий диапазон до , дешёвая, окалиностойкая. Тип T (медь/константан) - узкий диапазон до , но точнее в области криогеники и комнатных температур, особенно ниже . Для печей берут K, для холодильных установок и точных лабораторных измерений - T.
Можно ли использовать одну термопару для измерения большой и малой температуры одновременно? Прямо - нет: термопара даёт только одну ЭДС, соответствующую разности между парой спаев. Но можно собрать термобатарею - последовательное соединение нескольких термопар, у которой горячие и холодные спаи распределены по разным точкам. Это используется в датчиках теплового потока и в радиометрах.
Коротко
Эффект Зеебека - возникновение термоЭДС в замкнутой цепи из двух разных проводников при разности температур между их спаями, открытое Т.И. Зеебеком в 1821 году. Для малых описывается формулой , где - относительный коэффициент Зеебека пары в мкВ/К; в широком диапазоне - полиномом МЭК 60584. Абсолютные коэффициенты металлов отсчитываются от свинца. На эффекте работают восемь стандартных типов промышленных термопар (K, J, T, S, E, B, N, R), которыми измеряют температуру от до . Главная техническая тонкость - компенсация холодного спая. Тот же эффект работает в термоэлектрических генераторах: от РИТЭГ Voyager и марсоходов до бытовой термопары газовой плиты. Вместе с обратным эффектом Пельтье и эффектом Томсона он образует единый термоэлектрический феномен, связанный соотношениями Кельвина и .
Читайте также

Эффект Нернста-Эттингсгаузена: поперечная ЭДС в поле
Эффект Нернста-Эттингсгаузена — поперечная ЭДС в проводнике с продольным градиентом температуры в магнитном поле. Связь с Зеебеком и Холлом, коэффициент N, материалы.

Эффект Пельтье: термоэлектрическое охлаждение и закон спая двух проводников
Эффект Пельтье: при пропускании тока через спай двух разных проводников выделяется или поглощается тепло. Закон Пельтье, соотношение Кельвина, добротность ZT, термоэлектрические холодильники и RTG.

Гем, железо и протопорфирин IX: строение и биосинтез
Гем — это комплекс железа Fe²⁺ с протопорфирином IX. Разбираем строение тетрапиррольного кольца, восемь ферментов биосинтеза от АЛК до феррохелатазы, регуляцию и порфирии.