当前位置首页 > 信息公告

热电偶的前世今生:从塞贝克效应到测温神器

更新时间:2024-06-12 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

热电偶的前身0JF物理好资源网(原物理ok网)

热电偶的工作原理前身是原始测温原理,是由德国物理学家塞贝克于1821年首先发现的。其基本原理是两种不同材质的导体组成一个闭合回路,当两端有温度梯度时,回路中就会通过电流,此时两端间便会产生电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成分的均质导体就是热电偶,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于恒定温度。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶标尺;以自由端温度为0℃时得到标尺,不同的热电偶有不同的标尺。 当热电偶回路中接有第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶产生的热电势将保持不变,即不受回路中接有第三种金属的影响。因此,在测量热电偶温度时,只要接上测量仪表,测出热电动势后,便可知道被测介质的温度。0JF物理好资源网(原物理ok网)

1821年,德国物理学家塞贝克发现,在两种不同金属构成的闭合电路中,当两接触点的温度不同时,电路中就会产生电势,这就是热电效应,又称“塞贝克效应( )”。0JF物理好资源网(原物理ok网)

热电偶的工作原理0JF物理好资源网(原物理ok网)

把两种不同成分的导体(称为热电偶丝或热电极)的两端连接起来,组成一个回路,当连接处的温度不同时,回路中就会产生电动势,这种现象叫做热电效应,这个电动势叫做热电势。热电偶就是利用这个原理来测量温度的。其中直接用来测量介质温度的一端叫工作端(也叫测量端),另一端叫冷端(也叫补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表就会指示出热电偶产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器,它把热能转换成电能,用产生的热电势来测量温度。对于热电偶的热电势,应注意以下几个问题:1:热电偶的热电势是热电偶两端温度函数之差,而不是热电偶两端温差的函数; 2:热电偶产生的热电势的大小,在热电偶材料均匀的情况下,与热电偶的长度、直径无关,只与热电偶材料的成分及两端的温差有关;0JF物理好资源网(原物理ok网)

常用的热电偶材料有: 热电偶等级号 热电极材料 正极 负极 S 铂铑10 纯铂金 R 铂铑13 纯铂金 B 铂铑30 铂铑6K 镍铬-镍-硅 T 纯铜-铜-镍 J 铁-铜-镍 N 镍铬-硅 镍-硅 E 镍铬-铜-镍0JF物理好资源网(原物理ok网)

1821年 德国物理学家0JF物理好资源网(原物理ok网)

热电偶的发明(物理学家塞贝克的名声)0JF物理好资源网(原物理ok网)

托马斯·约翰·塞贝克(也译作“西贝克”)1770年出生于塔林(当时是东普鲁士的一部分,现爱沙尼亚首都)。塞贝克的父亲是瑞典裔德国人,或许正因为如此,他鼓励儿子在自己曾就读的柏林大学和哥廷根大学学习医学。1802年,塞贝克获得医学学位。由于他选择了实验医学方向的物理学,一生大部分时间都在教授和研究物理学,所以他通常被认为是一位物理学家。0JF物理好资源网(原物理ok网)

毕业后,塞贝克进入耶拿大学,并在那里结识了歌德。德国浪漫主义运动和歌德反对牛顿光色理论的思想深深影响了塞贝克,他与歌德长期合作进行光色效应的理论研究。塞贝克的研究主要集中在太阳光谱上,1806年他揭示了热和化学对太阳光谱中不同颜色的影响,1808年他得到了氨和氧化汞的化合物。1812年,当塞贝克在研究应力玻璃中光的偏振时,他并不知道另外两位科学家布鲁斯特和比奥已经在这个领域有了发现。0JF物理好资源网(原物理ok网)

1818年前后1821年 德国物理学家,塞贝克回到柏林大学,进行独立的研究活动,主要研究电流通过导体时钢的磁化现象。当时,阿拉戈和戴维刚刚发现电流对钢的磁化效应,贝塞克对不同的金属进行了大量实验,发现了磁化热铁的不规则反应,也就是我们现在所说的磁滞现象。在此期间,塞贝克还研究了光致发光、太阳光谱不同波段的热效应、化学效应、极化以及电流的磁性。0JF物理好资源网(原物理ok网)

19 世纪 20 年代初,塞贝克通过实验研究了电流和热量之间的关系。1821 年,塞贝克将两根不同的金属线连接在一起英语作文,形成一个电流环路。他将两根线首尾相连,形成一个节点,突然发现,如果将其中一个节点加热到很高的温度,而另一个节点保持低温,电路周围就会产生磁场。他无法相信当热量施加到由两种金属组成的连接点上时会产生电流,他的发现只能用热磁电流或热磁现象来解释。在接下来的两年里(1822-1823 年),塞贝克向普鲁士科学院报告了他持续的观察,将这一发现描述为“由温差引起的金属磁化”。0JF物理好资源网(原物理ok网)

1821年 德国物理学家0JF物理好资源网(原物理ok网)

当塞贝克实验仪器的一端被加热时,指针转动,表明导线产生了磁场。0JF物理好资源网(原物理ok网)

塞贝克确实发现了热电效应,但他给出了错误的解释:导线周围产生磁场的原因是温度梯度使金属沿某一方向磁化,而不是形成电流。科学学会认为,这种现象是因为温度梯度引起了电流,进而在导线周围产生了磁场。塞贝克对这种解释很恼火,他反驳说,科学家的眼睛被奥斯特(电磁学)的经验蒙蔽了1821年 德国物理学家,只会用“电流产生磁场”的理论来解释,想不出其他解释。但塞贝克本人也很难解释,如果切断电路,温度梯度不会在导线周围产生磁场。因此,大多数人都同意热电效应的观点,后来也确定了。(摘自:以色列希伯来大学,陈忠民译)0JF物理好资源网(原物理ok网)

【应用】1830年发现热电效应后,人们发现了它的应用。利用热电效应,可以制成热电偶(热电偶)来测量温度。只要选择合适的金属作为热电偶材料,就可以轻松测量-180°C至+2000°C的温度。如此宽的测量范围使酒精或水银温度计成为最佳选择。现在,用铂和铂合金制成的热电偶温度计甚至可以测量高达+2800°C的温度!0JF物理好资源网(原物理ok网)

热电偶的两根不同的金属丝焊接在一起,形成两个节点,如图(a)所示。环路电压VOUT为热节点电压与冷节点(参考节点)电压之差。由于VH和VC是由两结点之间的温差产生的,也就是说,VOUT是温差的函数。比例因子α对应于电压差与温差的比值,称为系数。0JF物理好资源网(原物理ok网)

上图显示了最常见的热电偶应用之一。这种配置引入了第三种金属(中间金属)和两个附加结点。在这种情况下,每个开路结点都电气连接到一根铜线。这些电线为系统增加了两个附加结点。只要两个结点处于相同温度,中间金属(铜)就不会影响输出电压。这种配置允许使用热电偶而无需独立的参考结点。VOUT 仍然是热结点和冷结点之间温差的函数,这与系数有关。但是,由于热电偶测量的是温差,因此为了确定热结点的实际温度,必须知道冷结点温度。最简单的情况是冷结点温度为 0°C(冰点)。如果 TC = 0°C,则 VOUT = VH。在这种情况下,热结点处测得的电压是结点温度的直接转换。然而,这在实际应用中很难实现。 为此,美国国家标准局(NBS)提供了各类热电偶对应的电压特性数据与温度的对照表,所有数据均以冷端温度0℃为基准,以冰点为参考点,通过查阅相应表格中的VH即可确定热端温度。0JF物理好资源网(原物理ok网)

发表评论

统计代码放这里