У 1821 р. Томас Зеєбек відкрив явище, яке згодом назвали його ім'ям. Суть ефекту Зеєбека полягає у такому: якщо з'єднати два матеріали в один контур і нагріти один із контактів, у контурі виникне струм. Зауважимо, що для цього потрібні певні умови: наявність замкнутого контуру (електричний струм не існує в розірваному ланцюзі); наявність контакту із двох різнорідних металів, бо інакше не буде різниці потенціалів. Цими матеріалами можуть бути два різні метали, метал і напівпровідник або два напівпровідники різного типу {р і п). Саме наявність різниці температур між двома контактами різних провідників лежить в основі явища виникнення ЕРС (електрорушійної сили).

Сутність ефекту Зеєбека полягає в тому, що енергія вільних електронів, які зумовлюють виникнення електричного струму в провідниках, різна і по-різному змінюється з температурою. Тому якщо вздовж провідника є перепад температур, на його «гарячому» (з'єднаному) кінці електрони матимуть більші енергію і швидкість порівняно з «холодним» (вільним) кінцем, через що у провіднику виникне потік електронів від гарячого кінця до холодного. В результаті на обох кінцях накопичуватимуться заряди - «негативний» на холодному, а «позитивний» на гарячому. Оскільки у провідників різних матеріалів ці заряди є різними, при з'єднанні двох із них у термоелемент з'явиться різницева термоЕРС. Термоелектрорушійна сила, що виникає в ланцюзі з двох різнорідних провідників, дорівнює різниці електрорушійних сил на їхніх кінцях.

Із цього визначення випливає, що за рівності температур на кінцях термоелемента його термоЕРС дорівнюватиме нулю. Тож можна зробити надзвичайно важливий висновок про можливість використання термопари як датчика для вимірювання температури. Якщо спаяти кінці двох різнорідних металів, а два інших кінці приєднати до гальванометра, то при нагріванні місця спаювання металів прилад покаже наявність струму в ланцюзі. Таку пару металевих провідників називають термопарою, або термоелементом. У ланцюзі термопари виникає термоелектричний струм, а породжує цей струм термоелектрорушійна сила.

ТермоЕРС за величиною є досить малою і приблизно пропорційна різниці температур спаювання і навколишнього середовища. Для практичного використання термопари її електроди мають бути ізольовані й поміщені в захисну арматуру. Таку конструкцію називають термоелектричним перетворювачем (ТЕП). Дія цього приладу базована на залежності термоЕРС термопари від температури. Термопара є основним елементом засобів вимірювання температури.

Відповідно до ДСТ Р50431-92, термопари ТЕП мають такі позначення:

ТВР (А) - вольфрамреній-вольфрамренієві;

ТПР (В) - платинородій-платинородієві;

ТПП (S, R) - платинородій-платинові;

ТХА (К) - хромель-алюмелеві;

ТХК (L) - хромель-копелеві;

ТХК (Е) - хромель-константанові;

ТМК (Т) - мідь-константанові;

ТЗК (J) - залізо-константанові.

Загальний вигляд однієї з конструкцій термоелектричного перетворювача зображено на рис. 4.8.

Дія термометра основана на застосуванні термопари. У фарфоровій трубці поміщають два дроти (наприклад, платина - платинородій).

Місце спаювання дротів нагрівають до високої температури. Вільні кінці дротів приєднують до затискачів гальванометра, шкала якого має поділ у градусах. Термопари дають можливість вимірювати високі (до 2000 °С і вище) і низькі температури.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Скільки тепла виділить упродовж 1 год струм 5 А, що йде по нагрівальній спіралі, якщо спіраль має опір 24 Ом?

2. Електрорушійна сила акумулятора - 2 В, внутрішній опір - 0,5 Ом. Затискачі акумулятора замкнуті провідником з опором 3,5 Ом. Визначте, скільки тепла виділить струм у провіднику упродовж 0,5 год.

3. Дві електричні лампи з опором 250 Ом і 100 Ом увімкнені в мережу напругою 100 В. Скільки тепла упродовж 3 хв виділить струм у кожній лампі, якщо вони з'єднані послідовно і паралельно?

4. Спіраль електричної плитки виготовлено з ніхромового дроту перерізом 0,5 мм², довжиною 10 м. Визначте, скільки тепла виділить струм упродовж 10 хв, якщо плитку ввімкнено в мережу напругою 220 В.

5. Три провідники з опором 2, 3 і б Ом з'єднані між собою паралельно. Загальний струм дорівнює 18 А. Скільки тепла щомиті виділить струм у кожному провіднику?

6. Електрорушійна сила джерела струму - 20 В, внутрішній опір - 0,2 Ом. У зовнішню мережу ввімкнений електричний нагрівач, виготовлений із нікелю перерізом 0,2 мм², довжиною 10 м. Скільки тепла виділить струм у нагрівані за 1 год?

7. Потрібно зробити розрахунок для електричної плити, яка змогла б закип'ятити 2,5 л води температурою 10 °С упродовж 40 хв. Втрати тепла на нагрів плитки, чайника і повітря дорівнюють 40 %. Для намотування спіралі плитки використано ніхром перерізом 0,5 мм². Яку довжину ніхромового

дроту необхідно взяти, якщо плитку буде ввімкнено в мережу напругою 220 В?

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Яким досягненням відзначився видатний інженер Микола Миколайович Бенардос?

2. Сформулюйте закон Джоуля - Ленца.

3. Що означає число 0,24 у формулі закону Джоуля - Ленца?

4. Яке практичне застосування теплових дій електричного струму?

Б. Яке призначення запобіжників і як вони влаштовані?

6. З яких частин складаються теплові реле і де їх застосовують?

7. Як відбувається зварювання електричним струмом?

8. Від яких причин залежить нагрівання провідника?

9. Що таке термоелектрика і де її використовують у техніці?

10. Що являє собою термопара?

Це матеріал з підручника "Електротехніка та основи електроніки" Гуржій 2020