Термопара с активными ветвями
Схема термопарного элемента приведена на рис.2 введения. Термопарный элемент состоит из двух ветвей. Ветви изготовлены из материалов с коэффициентами термоэлектродвижущих сил (аи и ар) отличными от нуля. Обычно, ап и ар имеют различный знак. В этом случае развиваемые в каждой ветви ЭДС складываются.
Это классический вариант модели термопарного элемента, наиболее часто применяемый для практических целей. Он наиболее хорошо изучен. В цепи термопары используется неоднородная среда, причем ветви термопар однородные, а скачок неоднородности имеет место в местах контакта ветвей с коммутационными пластинами. Если концы ветвей (рис.4а, см. введение) находятся при различных температурах, то в разомкнутой цепи вследствие эффекта Зеебека возникает термоЭДС, а в замкнутой цепи потечет электрический ток. Коэффициенты термоЭДС коммутационных пластин незначительные. Кроме того, каждая из коммутационных пластин имеет свою, но одинаковую для каждой пластины температуру. Поэтому коммутационные пластины не вносят вклад в термоЭДС термопары. Однако, следует иметь в виду, что такая модель справедлива только для случаев больших размеров ветвей вдоль направления градиента температуры. Это значит, что длина ветвей значительно больше характерных диффузионных длин носителей тока и фононов в областях контактов ветвей с коммутационными пластинами. Если такое условие нарушается (например, при создании очень миниатюрных термопар), то условие независимости термоЭДС термопары от материалов коммутационных пластин может нарушаться [13].
Нередко ветви термопар изготовлены из кристаллических материалов. Они могут иметь анизотропию физических свойств, например, анизотропию коэффициента термоЭДС и электропроводности. В этом случае ветви ориентируют относительно кристаллографических осей таким образом, чтобы эффективность термоэлектрического преобразования энергии была наибольшей. Например, широко распространенные материалы для термопар из Bi-Te и сплавы на их основе, как правило, ориентированы тригональной осью перпендикулярно градиенту температуры [21]. Материалы на основе Bi-Sb [41], наоборот, ориентированы тригональной осью вдоль градиента температуры (рис.1.3).
Когда внешним воздействием на термопару является электрический ток, то вследствие действия эффекта Пельтье, она может быть использована для охлаждения или термоэлектрического нагрева. Рисунок 9б,в демонстрирует эти возможности.
Термопарный элемент в режиме генерации ЭДС и тока часто называют термоэлементом Зеебека. Однако, как было установлено в впервые эффект возникновения термоэлектродвижущих сил наблюдал Вольта. Применить термоЭДС для создания термогенератора впервые предложил Эрстед. Поэтому исторически более достоверно можно назвать термопарный термоэлемент в режиме генерации ЭДС и тока термоэлементом Вольта-Эрстеда.
Термопарный элемент в режиме охлаждения и термоэлектрического нагрева называют термоэлементом Пельтье (модули Пельтье, термобатареи Пельтье). Это справедливо с точки зрения используемого эффекта. Однако, Пельтье не рассматривал свой эффект с позиции его применения для охлаждения или нагрева. Такие эксперименты выполнил в 1838 г. Ленц [28]. Поэтому можно предложить назвать термопарный термоэлемент в режиме охлаждения и термоэлектрического нагрева термоэлементом Пельтье-Ленца (Таблица 1).