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熱電偶的熱電現(xiàn)象及基本定律
熱電偶溫度計由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成。它被廣泛用于測量-200~1300℃范圍內(nèi)的溫度。在特殊情況下，可測至2800℃的高溫或4K的低溫。熱電偶能把溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺阌谛盘柕倪h傳和多點切換測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、準(zhǔn)確度高、熱慣性小等優(yōu)點。
1. 熱電偶測溫原理
由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A或B組成的閉合回路，如果使兩個接點處于不同的溫度t0、t，則回路中就有電動勢出現(xiàn)，稱為熱電勢，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢是溫度t0和t的函數(shù)，恒定接點溫度t0，則熱電勢是溫度t的單值函數(shù)，只要測得熱電勢的大小，便可得到被測溫度t。
熱電勢由溫差電勢與接觸電勢組成。
溫差電勢：是指一根導(dǎo)體上因兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動勢。同一導(dǎo)體兩端溫度不同時，高溫端（測量端、工作端、熱端）電子的運動速度大于低溫端電子（參比端、自由端、冷端）的運動速度，單位時間內(nèi)高溫端失電子帶正電，低溫端得電子帶負電，高、低溫端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該電場阻止高溫端電子向低溫端的動；加大低溫端電子向高溫端的運動速度，當(dāng)運動達到動態(tài)平衡時，導(dǎo)體兩端產(chǎn)生相應(yīng)的電位差，該電位差稱為溫差電勢。溫差電勢的方向：由低溫端指向高溫端。
溫差電勢的大?。?，
，式中k為波爾茲曼常數(shù)；e為電子電量
為導(dǎo)體內(nèi)的電子密度，是溫度的函數(shù)；t、to是導(dǎo)體兩端的溫度。可見溫差電勢的大小與導(dǎo)體的性質(zhì)和導(dǎo)體兩端溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長度、截面大小以及沿導(dǎo)體長度方向的溫度分布無關(guān)。
接觸電勢：是在兩種不同材料A和B的接觸點產(chǎn)生的。A、B材料有不同的電子密度，設(shè)導(dǎo)體A的電子密度nA大于導(dǎo)體B的電子密度nB，則從A擴散到B的電子數(shù)要比從B擴散到A的多，A因失電子而帶正電荷，B因得電子而帶負電荷，于是在A、B的接觸面上便形成一從A到B的靜電場。這個靜電場將阻礙電子的擴散運動，誘發(fā)電子的漂移運動，當(dāng)擴散與漂移達到動態(tài)平衡時，在A、B接觸面上便形成了電位差，即接觸電勢。接觸電勢的方向：由電子密度小的導(dǎo)體指向電子密度大的導(dǎo)體；
接觸電勢的大?。?/span>
或
，式中：k為波爾茲曼常數(shù)，e為電子電量。溫度越高，接觸電勢越大，兩種導(dǎo)體電子密度比值越大，接觸電勢也越大。可見接觸電勢與兩導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)與接觸點的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長度、截面大小、沿導(dǎo)體長度方向的溫度分布無關(guān)。
熱電偶回路的總電勢為：
即熱電勢是高溫端溫度及低溫端溫度的函數(shù)，若恒定低溫端溫度，則熱電勢是高溫端溫度的單值函數(shù)。通過測量熱電勢的大小可以得到被測（高溫端）溫度的數(shù)值。
2. 熱電偶回路的基本定律
1）均質(zhì)導(dǎo)體定律
由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的長度、截面積如何以及沿長度方向的溫度分布如何，回路中都不可能產(chǎn)生熱電勢。
證明：已知：
因是均質(zhì)導(dǎo)體，電子密度相同，所以
又因為
，所以回路總電勢等于0。
結(jié)論（1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成；（2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時，若回路中有熱電勢產(chǎn)生，則說明該材料是不均質(zhì)的。——用于電極材料的均勻性檢測。
2）中間導(dǎo)體定律
在熱電偶回路中接入第三種、第四種、……均質(zhì)導(dǎo)體，只要保證各導(dǎo)體的兩接入點的溫度相同，則這些導(dǎo)體的接入不會影響回路中的熱電勢。
證明：以在熱電偶回路中接入第三種均質(zhì)導(dǎo)體C為例。保證兩接入點的溫度都為t0，如圖所示：回路電勢為：
其中：
故：
即C導(dǎo)體的加入不影響回路中的熱電勢。
結(jié)論（1）可以在熱電偶回路中接入連接導(dǎo)線和測量儀表；（2）可以方便熱電偶電極的選配；（3）可以進行表面溫度和液體介質(zhì)溫度的開路測量。
3）中間溫度定律
接點溫度為t1和t3的熱電偶，它的熱電勢等于接點溫度分別為t1、t2和t2、t3的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和，即熱電偶的熱電勢只與高溫端和低溫端的接點溫度有關(guān)，而與中間溫度無關(guān)。
結(jié)論：（1）可以對熱電偶的冷端溫度進行計算修正；（2）允許在熱電偶回路中接入補償導(dǎo)線。