Thermoelektrizität. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Wenn wir die bei dem einen oder anderen physikalischen Prozess freigesetzte Wärme messen, können wir sowohl das Vorhandensein des Prozesses als auch die Intensität seines Flusses beurteilen. Der Betrieb mit elektrischen Größen ist ungleich komfortabler.

Thermoelektrische Sensoren ermöglichen Messungen im breitesten Temperaturbereich – vom Kern eines Atomkessels bis in die Tiefen des Weltraums. Je nach Umrechnungsmethode können Sensoren in Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe umfasst Sensoren, die durch den Einfluss von Wärme ihren ohmschen Widerstand ändern. Dies sind die sogenannten Thermistoren oder Thermistoren.

PTC-Thermistoren (Positive Temperature Coefficient) sind Halbleiterwiderstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Sie erhöhen ihren Widerstand stark, wenn eine bestimmte charakteristische Temperatur überschritten wird, und werden in Automobilstromnetzen zum Schutz vor Stromstößen, als Schutz für Kühlkompressoren, als selbstrückstellende Sicherungen und in vielen anderen Fällen eingesetzt.

NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient) sind Halbleiterwiderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten. Konstruktiv sind sie in Form von Scheiben ausgeführt und dienen der Temperaturkompensation elektronischer Schaltkreise, der Begrenzung des Anlaufstroms usw. Die Widerstandsänderungskurve ist nur in einigen Temperaturänderungsbereichen linear und der Betriebstemperaturbereich beträgt -40 °C. .. + 200 ° C.

In dieser Untergruppe sind besonders die NTC-Thermistoren TRA-1 und TRA-2 hervorzuheben, die auf der Basis von Einkristallen aus künstlichem Diamant hergestellt werden und sich durch langfristige Parameterstabilität und einzigartig niedrige thermische Trägheit auszeichnen. Durch die geringen Abmessungen (Durchmesser 1,2 mm) können sie beispielsweise in einen Lötkolben integriert werden. Betriebstemperaturbereich - 80...600°K.

Sensoren auf Thermistorbasis sind flüchtig, d. h. Messspannung erforderlich.

Eine weitere große Gruppe sind Thermoelemente, also Thermosensoren, bei denen EMF am Kontaktpunkt zweier unterschiedlicher Metalle auftritt (Abb. 1). Sensoren dieser Art sind nichtflüchtig, weil Bei Erwärmung der Verbindungsstelle reicht die entstehende ThermoEMF für Messungen völlig aus.

Fig. 1

Wenn Sie zwei Enden von Leitern aus unterschiedlichen Metallen verbinden und dann die Verbindung erhitzen, können Sie an den freien Enden das Auftreten von EMF beobachten. Der Wert der Kontakt-ThermoEMF hängt weder von der Kontaktfläche noch von der Form der Leiter ab, sondern wird nur davon bestimmt, welche Metalle in Kontakt sind und wie hoch ihre Temperatur ist. In der Praxis der Verwendung von Thermoelementen ist es üblich, zwischen zwei Leiterverbindungen – Heiß- und Kaltstelle – zu unterscheiden. Die heiße Verbindungsstelle ist eine Verbindung, die sich in der Heizzone befindet, und die kalte Verbindungsstelle befindet sich außerhalb der Messzone. In diesem Fall ist die Bezeichnung „Kaltpunkt“ rein bedingt, denn. Der Stromkreis wird durch die Impedanz des Messkreises (Instruments) vervollständigt. Wenn beide Enden der Vergleichsstelle geschlossen sind, ist der thermoEMF-Wert gleich Null. Wenn beide Verbindungen gleichmäßig erhitzt werden, werden die Störkräfte durch elektrische Kräfte ausgeglichen. Der EMF-Wert wird durch eine einfache Formel beschrieben:

Е_Т=K_Т(T1-T2), (1)

wo K_т - konstanter Koeffizient.

Aus Formel (1) folgt, dass die ThermoEMF proportional zur Temperaturdifferenz unterschiedlicher Metalle ist. Proportionalitätsfaktor K_T wird als spezifische ThermoEMF bezeichnet und ihre Werte für die Kombination verschiedener Metalle und ihrer Legierungen sind unterschiedlich. Zum Beispiel für die Kupfer-Konstantan-Verbindung K_T= 53 * 10^-3 mV/°C, für Silber-Platin-Verbindung K_T= 12 * 10^-3 mV/°C. Um Kontakt-ThermoEMF zu erhalten, sollten Metalle durch Schweißen und Schmelzen mit einer neutralen (Kohlenstoff-)Elektrode verbunden werden (vorzugsweise in einer Inertgasumgebung oder im Vakuum, um zu verhindern, dass auch Fremdstoffmoleküle in die Verbindung eindringen). Das Vakuum-Aufdampfbonden auf einem neutralen Quarzglas- oder Keramiksubstrat liefert gute Ergebnisse. Das Wort „Spion“ ist in diesem Fall also rein bedingt.

Unter Amateurbedingungen können Sie ein gutes Thermoelement herstellen, wenn Sie zwei Drähte mit einer Kohlenstoffelektrode (Spannung nicht höher als 36 V) schweißen und dabei Kupfer, Konstantan, Nichrom, Fechral, ​​​​Nickel und Silber kombinieren. Sie können Drahtgitter aus einer elektrischen Lampe verwenden.

Siliziumdioden können ein alternativer Ersatz für Thermistoren und Thermoelemente sein, und die von ihnen entwickelte Thermoleistung ist für den praktischen Einsatz völlig ausreichend. Der Nachteil liegt in der großen Streuung der Parameter und der Komplexität bei der Organisation der Schlussfolgerungen.

In den 30er ... 50er Jahren des 3. Jahrhunderts wurde eine große Anzahl thermoelektrischer Generatoren hergestellt, die mit verschiedenen Arten von Kühlmitteln (Petroleumlampe, Petroleumgas und sogar Feuer) betrieben wurden. Auch in einem Kernkraftwerk wurden thermische Generatoren eingesetzt. Das Interesse an einer flächendeckenden Nutzung ließ aufgrund des sehr geringen Wirkungsgrades, der bestenfalls kaum XNUMX % erreichte, allmählich nach. Zwar haben japanische Spezialisten vor nicht allzu langer Zeit einen Armbandgenerator entwickelt, der mit der Wärme des menschlichen Körpers betrieben wird und einen Transistorempfänger speist. Leider haben billige Alkalizellen und Nickel-Cadmium-Batterien die Entwicklung von Thermogeneratoren „abgeschlossen“.

Es gibt eine weitere Anwendung der Thermoelektrizität, oder besser gesagt, ein Phänomen, das 1834 vom Uhrmacher Peltier entdeckt wurde, der auf Temperaturanomalien aufmerksam machte, die in der Nähe der Verbindungsstelle zweier Leiter aus unterschiedlichen Metallen auftraten, wenn ein elektrischer Strom durch sie floss. Später untersuchte und erklärte E.Kh. Lenz die Natur dieses Phänomens.

In Lenz‘ Experiment wurde ein Wassertropfen in eine Aussparung an der Verbindungsstelle zweier Leiter aus Wismut und Antimon gegeben, der, wenn ein Strom in die eine Richtung floss, gefror und in der anderen Richtung siedete. Das erstmals von Peltier entdeckte Phänomen wurde Peltier-Effekt genannt, und auf dieser Grundlage hergestellte thermoelektrische Elemente wurden Peltier-Elemente genannt (Abb. 2).

Fig. 2

Bei der Herstellung von Elementen wurden die besten Ergebnisse durch die Verbindung von Paaren von Halbleitermaterialien erzielt: Bleisulfid, Wismut, Antimon, Zink. Bei Peltier-Elementen kann der Vorgang des Erhitzens und Kühlens von Verbindungen als eine Wärmeübertragung unter dem Einfluss einer angelegten EMF von einer Verbindung zur anderen und sozusagen als eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Leitern betrachtet werden. Bei Peltier-Elementen kann Es gibt heiße und kalte Verbindungen, aber Spannung wird an einen geschlossenen Stromkreis aus unterschiedlichen Metallen angelegt. Die heiße Verbindungsstelle wird erwärmt und die kalte Verbindungsstelle abgekühlt. Je intensiver die freigesetzte Wärme abgeführt wird, desto stärker wird die kalte Verbindungsstelle gekühlt. Beim Umpolen der Versorgungsspannung ändert sich auch das Vorzeichen, was zur Zerstörung des Elements führen kann. Um einen signifikanten Temperaturunterschied zu erzielen, ist ein gutes Kühlmittel erforderlich, um die heiße Verbindungsstelle effektiv zu kühlen.

Derzeit (laut CHIP-DIP-Katalog) werden Peltier-Elemente zur Kühlung von REA und anderen Zwecken angeboten, bei denen der Wirkungsgrad keine wesentliche Rolle spielt.

Literatur

1. A. F. Ioffe. Halbleiter-Thermoelemente. - RAN.
2. B.S. Pozdnyakov, E.A. Koptelow. Thermoelektrische Energietechnik. - Atomizdat, 1974

Autor: I. Semenov, Dubna, Gebiet Moskau

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