Термоэлектрический пирометр

Термоэлектри'ческий пиро'метр,прибор для измерения .Состоит из ,в качестве чувствительного элемента, подключенных к термопаре компенсационных и соединительных проводов и электроизмерительного прибора (милливольтметра, автоматического потенциометра и др.). Подробнее см. в ст. .

Термоэлектрический прибор

Термоэлектри'ческий прибо'ризмерительный, прибор для измерения силы переменного тока, реже электрического напряжения, мощности. Представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерителя с одним или несколькими термопреобразователями. Термопреобразователь состоит из (или нескольких термопар) и нагревателя, по которому протекает измеряемый ток ( рис. ). Под действием тепла, выделяемого нагревателем, между свободными концами термопары возникает термоэдс, измеряемая магнитоэлектрическим измерителем. Для расширения пределов измерения термопреобразоватслей (по току от 1 аи выше) используют высокочастотные тока.

  Т. п. обеспечивают сравнительно большую точность измерений в широком диапазоне частот и независимость показаний от формы кривой тока, протекающего через нагреватель. Их основные недостатки - зависимость показаний от температуры окружающей среды, значительное собственное потребление мощности, недопустимость больших перегрузок (не более чем в 1,5 раза). Применяются преимущественно для измерения действующего значения силы переменного тока (от единиц мкадо нескольких десятков а) в диапазоне частот от нескольких десятков гцдо нескольких сотен Мгцс погрешностью 1-5%.

  Лит.:Червякова В. И., Термоэлектрические приборы, М.- Л., 1963; Электрические измерения, под ред. А. В. Фремке, 4 изд., Л., 1973; Шкурин Г. П., Справочник по электро- и электронно-измерительным приборам, М., 1972.

Схемы термоэлектрических приборов для измерения тока: а - контактная, с одной термопарой; б, в - бесконтактные, с одной и с несколькими включенными последовательно термопарами; г - с включением через высокочастотный трансформатор тока ТТ; I _x- измеряемый ток; r _н- нагреватель; r _t- термопара; ИМ - магнитоэлектрический измеритель.

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектри'ческое охлажде'ние,поглощение теплоты при прохождении электрического тока через .Сущность Т. о. заключается в появлении разности температур в спаях термоэлемента; при этом на холодном спае происходит поглощение теплоты из охлаждаемого вещества, передача её к горячему спаю и далее в окружающую среду (см. ) .Одновременно с генерацией холода в цепи термоэлемента выделяется теплота (см. ) и передаётся к холодному спаю путём теплопроводности. Результирующей характеристикой охлаждающей способности термоэлемента, используемого для Т. о., является так называемая эффективность , где a - термоэлектрический коэффициент, l - удельная теплопроводность, r -удельное электрическое сопротивление. Обычно при изготовлении термоэлементов для Т. о. используют ( Z= 1,5-3,5 град ^-1) ,например тройные сплавы сурьмы, теллура, висмута и селена (см. ) .Установки с Т. о. просты по конструкции, не имеют движущихся частей и ,безопасны в эксплуатации, но малоэкономичны (удельный расход электроэнергии в 6- 8 раз выше, чем у парокомпрессионных ) .Обычно Т. о. используется в установках с до 100 вт,которые находят практическое применение в радиоэлектронике, вакуумной технике, приборостроении, медицине и т. д.

  В. А. Гоголин.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектро'нная эми'ссия,Ричардсона эффект, испускание электронов нагретыми телами (твёрдыми, реже - жидкостями) в вакуум или в различные среды. Впервые исследована О. У. в 1900- 1901. Т. э. можно рассматривать как процесс испарения электронов в результате их теплового возбуждения. Для выхода за пределы тела (эмиттера) электронам нужно преодолеть у границы тела; при низких температурах тела количество электронов, обладающих достаточной для этого энергией, мало; с увеличением температуры их число растет и Т. э. возрастает (см. ) .

  Главной характеристикой тел по отношению к Т. э. является величина плотности термоэлектронного тока насыщения j _o( рис. 1 ) при заданной температуре. При Т. э. в вакуум однородных (по отношению к ) эмиттеров в отсутствии внешних электрических полей величина j ₀определяется формулой Ричардсона - Дэшмана:

  .    (1)

Здесь А -постоянная эмиттера (для металлов в модели свободных электронов : А = А ₀= 4p ek ² m/h ³ =120,4 а/К ² см ², где е- заряд электрона, m -его масса, k - , h - ) , Т -температура эмиттера в К,   -средний для термоэлектронов разных энергий коэффициент отражения от потенциального барьера на границе эмиттера; ej -работа выхода. Испускаемые электроны имеют начальных скоростей, соответствующее температуре эмиттера.

  При Т. э. в вакуум электроны образуют у поверхности эмиттера объёмный заряд, электрическое поле которого задерживает электроны с малыми начальными скоростями. Поэтому для получения тока насыщения между эмиттером (катодом) и коллектором электронов (анодом) создают электрическое поле, компенсирующее поле объёмного заряда. На рис. 1 показан вид вольтамперной характеристики вакуумного диода с термоэлектронным катодом. Плотность тока насыщения j ₀достигается при разности потенциалов V ₀ ,величина которой определяется .При V< V ₀ток ограничен полем объёмного заряда у поверхности эмиттера. Слабое увеличение jпри V> V ₀связано с . Рис. 1 показывает, что термоэлектронный ток может протекать и в отсутствии внешних эдс. Это указывает на возможность создания вакуумных термоэлектронных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Во внешних электрических полях с напряжённостью Е³ 10 ⁶- 10 ⁷ в/смк Т. э. добавляется и Т. э. переходит в термоавтоэлектронную эмиссию.

  Величину jдля и собственных можно считать линейно зависящей от Тв узких интервалах температур D Tвблизи выбранного T ₀: j( T) = j( T ₀) + a( T- T ₀) ,где a- температурный коэффициент jв рассматриваемом интервале температур D T. В этом случае формула (1) может быть написана в виде:

  j ₀= A _p T ² ехр (- еj _р/ кТ) ,   (2)

где A _p= А(1- ) ехр (- ea /k) называется ричардсоновской постоянной эмиттера (однородного по отношению к работе выхода); еj _р= j( Т ₀) - a T ₀; еj ₀называется ричардсоновской работой выхода. Так как в интервале температур от Т=  0 до Т= Т ₀aне сохраняет постоянной величины, то ричардсоновская работа выхода отличается от истинной работы выхода электронов при температуре Т= 0 К. Величины A _pи еj _рнаходят по прямолинейным графикам зависимости: In ( j ₀/T ₂) =   f(1 /T) (графикам Ричардсона). У примесных полупроводников зависимость j( T) более сложная, и формула для j ₀отличается от (2).

  Чтобы исключить входящие в формулу (1) неизвестные для большинства эмиттеров величины Аи ,зависящие не только от материала эмиттера, но и от состояния его поверхности (определяются экспериментально), формулу приводят к виду:

j = A ₀ T ²exp [ -ej _пт ( Т) /кТ] .    (3)

  Работа выхода еj _пт( Т) мало отличается по величине от истинной работы выхода эмиттера ej( T), но легко определяется по измеренным величинам j ₀и Т;её называют работой выхода по полному току эмиссии. Величина еj _пт( Т) является единственной характеристикой термоэмиссионных свойств эмиттера, и её знания достаточно для нахождения j ₀( T) ( рис. 2 ).

  Однородными по j эмиттерами являются грани идеальных монокристаллов как чистые, так и покрытые однородными плёнками др. вещества. Большинство употребляемых в практике эмиттеров не однородны, а состоят из «пятен» с различными j (эмиттеры поликристаллического строения; со структурными дефектами; двухфазные плёночные и др.). между пятнами приводят к появлению над эмиттирующей поверхностью контактных полей пятен. Эти поля создают дополнительные барьеры для эмиссии электронов с пятен, где работа выхода меньше, чем средняя по поверхности, и вызывают аномальный эффект Шотки. Для описания Т. э. неоднородных эмиттеров в формулу (1) вводят усреднённые эмиссионные характеристики.

  Для получения токов больших плотностей, постоянных во времени, требуются эмиттеры с малыми jи с большими материала; в ряде случаев к термоэлектронным эмиттерам предъявляются специальные требования (химическая пассивность, коррозионная стойкость и др.). Высокой термоэмиссионной способностью обладают так называемые эффективные катоды (оксиднобариевые, оксидноториевые, гексабориды щелочноземельных и редкоземельных металлов и др.) и некоторые металлоплёночные катоды (например, тугоплавкие металлы с плёнкой щелочных, щёлочноземельных и редкоземельных металлов).

  Т. э. лежит в основе действия многих электровакуумных и газоразрядных приборов и устройств.

  Лит.:Рейман А. Л., Термоионная эмиссия, пер. с англ., М.- Л., 1940; Гапонов В. И., Электроника, т. 1, М., 1960; Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Кноль М., Эйхмейер И., Техническая электроника, пер. с нем., т. 1, М., 1971; Херинг К., Николье М., Термоэлектронная эмиссия, пер. с англ., М., 1950; 3андберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969; Фоменко В. С., Эмиссионные свойства материалов, К., 1970.

  Э. Я. Зандберг.

Рис. 1. Зависимость плотности тока j термоэлектронного тока от разности потенциалов V, приложенной между эмиттером и коллектором электронов (вольтамперная характеристика).

Рис. 2. Плотность термоэлектронного тока насыщения при различных температурах и работах выхода ej, определяемых по полному току термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронный преобразователь

Термоэлектро'нный преобразова'тель(генератор) энергии, то же, что .Действие Т. п. как плазменного источника электрической энергии основано на следующем процессе: с катода (поверхность горячего металла с большой ) «испаряются» электроны, которые, пролетев межэлектродный промежуток, «конденсируются» на аноде (холодный металл с малой работой выхода); полезная работа во внешней цепи совершается за счёт остатка потенциальной энергии электронов.

Термоэлемент

Термоэлеме'нт,электрическая цепь (или часть цепи), составленная из разнородных проводников или полупроводников и позволяющая использовать в практических целях одно из .

  Если места контактов Т. поддерживать при различных температурах, то в цепи возникает эдс (термоэдс), а при замыкании цепи - электрический ток. Это явление ( ) используется преимущественно для измерения температур (то есть в ) либо др. физических величин, измерение которых может быть сведено к измерению температур: давления газа, скорости потока жидкости или газа, влажности, потока лучистой энергии (см. , ) ,силы переменного тока промышленной частоты (см. ) ,токов радиочастоты и др. (во всех этих случаях Т. служит тепловым ) .Обычно Т., предназначенные для измерительной техники, называются .Полупроводниковые Т., действующие на основе эффекта Зеебека, используются также для создания ,преобразующих тепловую энергию (сжигаемого топлива, радиоактивного распада или солнечной радиация) в электрическую.

  Если через Т. пропускать ток от постороннего источника, то на одном из его контактов происходит поглощение, а на другом - выделение тепла. На этом явлении ( ) основан принцип работы холодильников, и термоэлектрического типа, которые находят применение в быту, радиоэлектронике, медицине, электротехнике и др. областях.

  Лит.:Иоффе А. Ф., Полупроводниковые термоэлементы, М.- Л., 1956; Бурштейн А. И., Физические основы расчёта полупроводниковых термоэлектрических устройств, М., 1962; Коленко Е. А., Термоэлектрические охлаждающие приборы, 2 изд., Л., 1967; Иорданишвили Е. К., Термоэлектрические источники питания, М., 1968; Методы измерения характеристик термоэлектрических материалов и преобразователей, М., 1974.

  Л. С. Стильбанс.

Термоэмиссионный преобразователь энергии

Термоэмиссио'нный преобразова'тель эне'ргии(ТЭП), термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии, устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления .Простейший ТЭП состоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора, изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумным промежутком ( рис. 1 ). К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство (несколько десятых долей мм) ,попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (который получает тепло от достигающих его электронов), то во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и таким образом совершаться работа. Так как ТЭП представляет собой по существу тепловую машину, рабочим телом которой служит «электронный газ» (электроны «испаряются» с эмиттера - нагревателя и «конденсируются» на коллекторе - холодильнике), то кпд ТЭП не может превосходить кпд .

  Напряжение, развиваемое ТЭП (0,5- 1 в) , -порядка ,но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродном зазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах ( рис. 2 ). Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью эмиттера и может достигать нескольких десятков а1 см ²поверхности. Для получения оптимальных величин эмиттера (2,5-2,8 эв) и коллектора (1,0-1,7 эв) и для компенсации объёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор между ними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как на горячем катоде ( ) ,так и в межэлектродном объёме (вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих - ионизируется). В последнем случае ТЭП работает в так называемое дуговом режиме - наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭП температурах электродов (1700-2000 К на катоде и 800-1100 К на аноде) их удельная мощность (в расчёте на 1 см ²поверхности катода) достигает десятков вт,а кпд может превышать 20%.

  По роду источника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные и газопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результате реакции ядерного деления (в реакторных ТЭП) или распада радиоактивного изотопа (в радиоизотопных). В 1970 в СССР создан первый в мире термоэмиссионный преобразователь-реактор «Топаз» электрической мощностью около 10 квт. В солнечных ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением ) .Газопламенные ТЭП работают на тепле, выделяющемся при сжигании органического топлива.

  Важные преимущества ТЭП по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями - отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокая надёжность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания. В настоящее время (середина 70-х гг.) достигнут ресурс непрерывной работы одиночного ТЭП свыше 40000 ч.Перспективно использование ТЭП в качестве высокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, например, в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при более низких температурах. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивные работы по созданию ТЭП, пригодных для массового промышленного использования.

  Лит.:Елисеев В. Б., Пятницкий А. П., Сергеев Д. И., Термоэмиссионные преобразователи энергии, М., 1970; Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма, М., 1973; Технология термоэмиссионных преобразователей. Справочник, под ред. С. В. Рябикова, М., 1974.

  Н. С. Лидоренко.

Рис. 2. Распределение потенциальной энергии электронов в межэлектродном зазоре при недостаточной концентрации ионов цезия (1), в условиях компенсации объёмного заряда (2) и в дуговом режиме (3): УФК и УФА - уровни Ферми катода (эмиттера) и анода (коллектора); E - энергия; E _Ки E _А- работа выхода катода и анода; DV ₃, DV _при V - падение напряжения соответственно на межэлектродном зазоре, на коммутационных приводах и во внешней цепи; е - заряд электрона; d - межэлектродное расстояние.

Рис. 1. Схема термоэмиссионного преобразователя: К - катод, или эмиттер; А - анод, или коллектор; R - внешняя нагрузка; Q _К- тепло, подводимое к катоду; Q _А- тепло, отводимое от анода; 1 - атомы цезия; 2 - ионы цезия; 3 - электроны.

Термоэрозия

Термоэро'зия,сочетание теплового и механического воздействия текущей воды на мёрзлые горные породы и лёд. Начальная стадия Т. мёрзлых горных пород обычно предопределяется вытаиванием содержащихся в них ледяных жил, вследствие чего на дневной поверхности возникает полигональная сеть эрозионных канав. Эти канавы при наличии естественного уклона поверхности становятся путями стока талых вод и дождевых осадков, в свою очередь оказывающих дальнейшее тепловое и эродирующее воздействие на мёрзлые породы.

Термоядерные реакции

Термоя'дерные реа'кции,ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 10 ⁷К и выше). Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

  Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого «экзоэнергетического» сдвига к средней части периодической системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, который имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Т. р. - это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра ⁴He (a-частица) возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер (одна из них, «чистая» реакция ¹¹B + р ® 3 ⁴Не + 8,6 Мэв,привлекла к себе интерес в самое последнее время).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химических элементов (нуклеогенеза).

  Скорости Т. р.В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Т. р. - её максимального ( s _макс, и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции - первой слева) частицы.

  Главная причина очень большого разброса сечений Т. р. - резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра ⁴He, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных (например, р + р ®  D + е ⁺+ n), оно весьма мало.

  Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно n ₁n ₂< vs(v)> ,где n ₁, n ₂-концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n ₁n ₂следует заменить на n ²), v -относительная скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v[распределение которых в дальнейшем принимается максвелловским (см. )] .

  Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем < vs(v)> .В практически важном случае «не очень высоких» температур T< (10 ⁷ё10 ⁸) К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относительные энергии Есталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z= 1 составляет ~ 200 Кэв,что соответствует, по соотношению E = kT, T ~2Ч10 ⁹K) и, следовательно, вид s(v)определяется в основном вероятностью «туннельного» прохождения сквозь барьер (см. ) ,а не собственно ядерным взаимодействием, в ряде случаев обусловливающим «резонансный» характер зависимости s(v)(именно такая зависимость проявляется в наибольших из значений s _максв таблице 1). Результат имеет вид

< vs(v)> = constЧ Т ^-2/3ехр}

,

где const - постоянная, характерная для данной реакции, Z ₁ , Z ₂ -заряды сталкивающихся ядер,   -их приведённая масса, е -заряд электрона,  - , k - .

Таблица 1

p - протон, D - дейтрон (ядро дейтерия ²H), Т - тритон (ядро трития ³H) ,n - нейтрон, е+ - позитрон, v - нейтрино, g -фотон.

  Т. р. во Вселеннойиграют двоякую роль - как основной источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, главным процессом экзоэнергетического ядерного синтеза является сгорание Н в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро ⁴He и 2 позитрона. Этот результат можно получить двумя путями (Х. и др., 1938-39): 1) в протон - протонной (рр) цепочке, или водородном цикле; 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (таблицы 2 и 3).

  Первые 3 реакции входят в полный цикл дважды. Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т =13 млнК (по другим данным - 16 млнК), плотность Н - 100 г /см ³ .В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с n.

  В CN-цикле ядро ¹²С играет роль катализатора. Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд - CN-цикл.

Табл. 2. - Водородный цикл

  Водородный цикл разветвляется на 3 варианта. При достаточно больших концентрациях ⁴He и T> (10 ё 15) млн К, в полном энерговыделении начинает преобладать др. ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в таблице 2 заменой реакции ³He + ³He на цепочку:

³He + ⁴He ® ⁷Be + g, ⁷Be + e ^–® ⁷Li + g,

p + ⁷Li ® 2 ⁴He,