热电偶测温法及塞贝克效应

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通常用电子气理论来解释热电现象，但是电子气理论并不能获得实用定量公式，热电现象的实际应用归纳为塞贝克效应、珀尔贴效应和汤姆逊效应三种，其中尤以塞贝克效应作为热电测温的理论基础。由两种不同金属丝组织闭合回路，由于两接点处温度不同而产生电势差，这种现象称为塞贝克效应。热电偶就是基于这一效应研制而成的测温元件，它用电势差的大小来衡量温度的高低。

金属中含有大量不断快速运动的自由电子。自由电子欲从金属中挣脱出来必须克服金属本身的电场力。也就是说，电子的动能大于金属的逸出功时，电子才能挣脱出来形成电流。两根相连的不同金属其逸出功不同，自由电子的密度也不同。电子密度不同的导体相互接触时就会产生自由电子的扩散现象，自由电子从密度大的导体流向密度小的导体。假如导体A的电子密度比导体B的电子密度大，则有些电子从A跑到B中，如图4．4－1所示。上述两种原因使闭合两金属丝产生接触电势。如图4．4－2所示，

图4．4－1 接触电势原理

图4．4－2 两金属丝的闭合回路

设u′_AB为逸出电位不同引起的接触电势，u″_AB为电子密度不同引起的接触电势：

总的接触电势为

式中：k为玻耳兹曼常数，e为电子电荷，n_A为金属A的电子密度，n_B为金属B的电子密度，T为接点温度。当两金属为闭合回路时，产生的总电势应为：

由上式可得结论：

1．当材料一定时，热电势E_AB是热接点温度T₁及冷接点温度T₂的函数。如固定T₂，则热电势E_AB是热接点温度T₁的单值函数。

2．闭合回路接点温度相同(T₁=T₂)时，电势E_AB=0。

3．闭合回路两金属丝相同材料(n_A=n_B)，即使冷、热接点温度不同(T₁≠T₂)，也不能产生热电势。

所以，闭合回路产生热电势的条件是两金属的电子密度不同，且两接点温度不相等。

热电势E_AB随温度的变化率称为导体的热电势率S(T)。金属A、B的热电势率S_AB可表示为：

S_AB=dE_AB／dT

S_AB=S_A－S_B (4．4－5)

式中：为金属的塞贝克系数。表4．4－1为常用热电偶的塞贝克系数。

表4．4－1 各种热电偶的塞贝克系数(μV／℃)

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